10.Дисперсия

При прохождении оптического сигнала по волокну происходит рассеяние во времени его спектральных или модовых составляющих. Это явление носит название дисперсии и обусловлено различием времени распространения различных мод в ОВ и наличием частотной зависимости показателя преломления. При передаче импульсных сигналов изменяется не только их амплитуда, но и форма – импульсы уширяется. Под дисперсией понимается увеличение длительности (уширение) импульса оптического излучения при распространении его по ОВ.

Уширение импульсов определяется по формуле

,

где значения t_вых и t_вх определяются на уровне половины амплитуды импульсов.

Следовательно, физический смысл дисперсии заключается в увеличении длительности импульса оптического излучения при его распространении по волокну длиной 1 км, причем значения длительности входного и выходного импульсов берутся на уровне половинной амплитуды.

Связь между величиной уширения импульсов и шириной полосы пропускания оптического волокна приближенно определяется соотношением

DF » 1 /t . (2.18)

Так, если t = 20 нс/км, то DF = 50 МГц × км.

Наличие дисперсии ОВ приводит к постепенному увеличению длительности импульсов и к появлению межсимвольной интерференции и к увеличению вероятности ошибки в принимаемом сигнале.

Следовательно, уширение импульсов определяет предельную скорость передачи цифровых потоков, а при малом затухании оптического кабеля для заданной скорости передачи ограничивает максимальное расстояние между ретрансляторами.

Уширение импульсов на выходе ОВ относительно импульса, поданного на его вход, происходит за счет модовой t _мм, материальной t_мат и волноводной (хроматической) t_в дисперсии и определяется по формуле

.

Модовая или межмодовая дисперсия обусловлена разностью времени прохождения направляемых мод на фиксируемой длине волны по ОВ от входа до выхода. В результате образуемый ими импульс оптического излучения уширяется, причем величина уширения равна разности времени распространения самой медленной и самой быстрой моды. Этот вид дисперсии обусловлен наличием большого числа мод N, время распространения которых различно [t = j_мм (N)], и преобладает в многомодовом волокне.

В одномодовых ОВ межмодовая дисперсия отсутствует, так как передается одна мода и, следовательно, взаимодействия мод, приводящих к уширению импульсов, наблюдаться не будет.

Хроматическая (частотная) дисперсия определяется некогерентностью источника оптического излучения, частотной зависимостью группового времени распространения ОВ и конечной шириной полосы пропускания. Чем шире спектр излучения оптического источника, тем больше хроматическая дисперсия. Хроматическая дисперсия делится на материальную и волноводную (или внутримодовую).

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны, т.е. n = j_мат (l), что приводит к различным скоростям распространения спектральных составляющих источников излучения. Отметим, что материальная дисперсия кварцевого ОВ на длине волны l =1,28 мкм меняет свой знак. Эта точка называется точкой нулевой материальной дисперсии.

Волноводная дисперсия обусловлена направляющими свойствами сердцевины ОВ, и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны, т.е. g = j_вв (l).

Для расчетов материальной t_мат и волноводной t _в дисперсией пользуются экспериментальными данными и упрощенными формулами:

, (2.22)

(2.23)

где Dl - ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,1…4 нм для лазеров и 15…80 нм для светодиодов; L – длина волокна, км; М(l) и В(l) – удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно. Удельные дисперсии выражаются в пикосекундах на километр длины волокна и на метр ширины спектра. Величины M(l) и B(l) для кварцевого волокна приведены в таблице.

Таблица

l, мкм	0,6	0,8	1,0	1,2	1,3	1,4	1,55	1,6	1,8
В(l), пс/км	5	5	6	7	8	8	12	14	16
М(l), пс/км	400	125	40	10	-5	-5	-18	-20	-25

Зависимость материальной, волноводной и результирующей дисперсии от длины волны представлена на рис…….

Из рисунка следует, что с увеличением длины волны t_мат уменьшается и проходит через нуль (точка нулевой материальной дисперсии), а t_в несколько растет. Причем вблизи l= 1,35 мкм происходит их взаимная компенсация, и результирующая дисперсия приближается к нулевому значению. Поэтому волна 1,3 мкм нашла широкое применение в одномодовых оптических кабелях.

Однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм и для достижения минимума дисперсии в этом случае приходиться варьировать профилем показателя преломления и диаметром сердцевины. При сложном профиле и трехслойном волокне можно и на волне 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.

С учетом реального соотношения вкладов отдельных видов дисперсий уширение импульсов для многомодовых ОВ t_рез = t_мм , а для одномодовых - t_рее = t_мат + t_в..

Сравнивая различные ОВ по их дисперсионным характеристикам , можно отметить, что лучшими в этом плане являются одномодовые волокна с градиентным законом изменения показателя преломления.

Дисперсионные свойства ОВ можно оценить коэффициентом широкополосности, имеющим размерность МГц ×км,

S = 1 / t.

Широкополосность оптического волокна определяет предельный объем информации, который можно передать по волоконно-оптической линии связи.

Хроматическая дисперсия выбрана Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) выбрана основным критерием для классификации одномодовых оптических волокон (ООМ), согласно которому существует три типа ООМ:

1. Стандартное ООМ (тип G.652). Это наиболее ходовой тип ОВ используется в мире с 1988 года на магистральных и зоновых ВОСП. Параметры (затухание и дисперсия) этого ОВ оптимизированы на длину волны 1310 нм (минимум хроматической дисперсии), оно может использоваться и в диапазоне длин волн 1525…1565 нм, где имеет абсолютный минимум затухания.

2. ООМ со смещенной дисперсией (тип G.653). Называется так потому, что абсолютный минимум хроматической дисперсии путем выбора специальной формы ППП смещен в диапазон длин волн 1550 нм абсолютного минимума затухания. ОВ G.653 оптимизировано для высокоскоростной передачи на одной длине волны и имеет ограниченные возможности для передачи на нескольких длинах волн.

3. ООМ со смещенной в область длин волн 1550 нм ненулевой дисперсии (тип G.655). ОВ оптимизировано для высокоскоростной передачи информации на нескольких длинах волн в третьем окне прозрачности. Волокно G.655 разработано для ВОСП со спектральным разделением каналов, т. н. - DWDM систем передачи.

7.Конструктивные параметры оптического волокна.

В зависимости от материала сердцевины и оболочки ОВ подразделяются на следующие типы: кварцевые, кварц-полимерные, многокомпонентные и полимерные.

В волоконно-оптических кабелях связи (ВОКС) в основном используются кварцевые ОВ. В таких ОВ сердцевина и оболочка изготовляются из высокочистого кварца, обладающего малыми потерями и высокой прозрачностью.

Кварц-полимерные ОВ изготовляются с сердцевиной из кварца и оболочкой из полимера.

Многокомпонентные ОВ изготовляются из стекла с добавками различных окислов металлов.

Кварц-полимерные и многокомпонентные ОВ используются для организации внутри-и межобъектовой связи.

В полимерных ОВ сердцевина и оболочка изготовляются из полимерных материалов. Из-за значительных потерь и нестабильности параметров во времени полимерные ОВ для целей связи не нашли применения.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ

В конструкции ОВ в целях сохранения передаточных параметров и механической прочности используют различные покрытия (рис. 2.3). Сразу же после вытяжки ОВ на него наносится первичное защитное покрытие (ПЗП) толщиной 5…10 мкм из материала, обладающего несколько большим коэффициентом преломления, чем оболочка ОВ и большими потерями на поглощение для подавления распространения нежелательных мод и исключения вытекающих и излучаемых волн.

В качестве материала для ПЗП обычно используется акрил. В отдельных случаях для защиты от механических воздействий на ОВ наносится вторичное защитное покрытие (ВЗП) толщиной 200…300 мкм из материала с высокими механическими характеристиками и влагостойкостью (рис. 2.8а). Выполняется ВЗП из традиционных для кабельной промышленности термопластичных материалов: полиамидов, фторопластов и некоторых других. Иногда в конструкцию ОВ вводится дополнительное армирующее покрытие, обеспечивающее стабильность его характеристик при радиальном (поперечном) сжатии (рис. 2.8,б).

Процесс совершенствования ОВ, как основного элемента конструкции любого ОК, происходит непрерывно. Это касается улучшения конструктивных, механических и оптических параметров, а также расширения используемого диапазона длин волн.

Лидерами мирового производства ОВ являются компании Corning, Lucent Technologies, Fujikura и Alcatel, а также отечественные производители: ЗАО «Электропровод», Фирма «СОКК», ЗАО «Севкабель-Оптик», ЗАО «Сарансккабель» и «Лусент Технолоджис Связьстрой-1».

ОВ изготовляется из высококачественного кварцевого стекла, обеспечивающее распространение светового сигнала. Различают одно-и многомодовые градиентные ОВ.

Градиентное одномодовое волокно. Конструктивные и оптические характеристики одномодовых ОВ определены Рекомендациями G.651 (МОВ градиентные типа 50/125), G.652 (ООВ), G.653(ООВ со сдвигом дисперсии), G.654 (ООВ для l = 1,55 мкм) и G.655 (ОВВ со смещенной ненулевой дисперсией) МСЭ-Т (табл. 2.2).

По характеру дисперсии одномодовые волокна (ОМ) подразделяются на

- ОВ с несмещенной дисперсией (SSF - Standard Single Fiber или SSMF - Standard Single Mode Fiber);

- ОВ со смещенной нулевой дисперсией (DSF - Dispersion Shifted Fiber);

- ОВ со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF - Non-Zero Dispersion Shifted Fiber);

Стандартные ООВ с несмещенной дисперсией выпускаются в соответствие с рекомендацией МСЭ-Т G.652.

В ООВ отношение n_c/n_об » 1,505/1,50, а числовая апертура NA = 0,122, луч падает на границу сред под углом близким к прямому » 83^о.

Чтобы распространялась одна мода, отношение диаметра сердцевины ООВ d_c к длине волны оптического сигнала l должно удовлетворять условию d_c/l < 10 (практически d_c = 8…10 мкм).

Градиентное многомодовое волокно. Широко используются два стандарта многомодового градиентного ОВ - 62,5/125 и 50/125. Основные характеристики градиентного МОВ для этих стандартов приведены в табл. 2

Профили показателя преломления и спектральные характеристики коэффициента затухания имеют вид, показанный на рис. 1 и рис. 2 соответственно.

Напомним, что МОВ характеризуется таким параметром, как ширина полосы пропускания частот DF. Ширина полосы пропускания DF определяет допустимую верхнюю частоту спектра сигнала, которая может передаваться по ОВ определенной длины. Часто вместо ширины полосы пропускания используют понятие коэффициент широкополосности S, МГц×км.

Например, если МОВ характеризуется коэффициентом широкополосности 500 МГц×км, это означает, что сигнал с верхней частотой 500

Таблица 2.3

Параметры	Градиентное многомодовое волокно
	MMF 50/125	MMF 62.5/125
Номинальное затухание, дБ/км, на длине волны: 850 нм 1300 нм	£ 2,4 £ 0,5	£ 2,8 £ 0,6
Максимальное затухание, дБ/км, на длине волны: 850 нм 1300 нм	£ 2,5 £ 0,8	£ 3,0 £ 0,7
Полоса пропускания, МГц ×км на длине волны 850 нм 1300 нм	³ 400 ³ 800	³ 200 ³ 400
Длина волны нулевой дисперсии (lо), нм	1297…1319	1332…1354
Диаметр сердцевины, мкм	50,0 ± 3,0	62,5 ± 3,0
Диаметр оболочки, мкм	125,0 ± 2,0	125,0 ± 2,0
Числовая апертура (NA)	0,2 ± 0,015	0,275 ± 0,015
Рабочий диапазон температур, оС	-60…+85	-60…+85
Стандартная длина волокна, поставляемого на катушке, м	1100…4400	1100…8800
Диаметр защитного покрытия	245 ± 10	245 ± 10

При заданном коэффициенте широкополосности S полоса пропускания DF ОВ в зависимости от его длины l определяется соотношением

.

Как видно, чем длиннее ОВ, тем меньше полоса пропускания и, следовательно, меньше объем передаваемой информации (например, если для МОВ с типоразмерами 50/125 нормируемые значения коэффициента широкополосности S 400…1500 МГц×км, то для ОВ длиной 10 км полоса пропускания составит 40…150 МГц×км).

Таким образом, ширина полосы пропускания ограничивает как скорость передачи информации, так и расстояние, на которое может быть передан сигнал.

Полоса пропускания ОВ в зависимости от дисперсии равна

,

где t - уширение импульса в МОВ, которое для ОВ со ступенчатым профилем показателя определяется по формуле

.

Уширение импульса в МОВ с параболическим профилем показателя преломления (ППП) равно

.

Сравнивая значения уширения для ступенчатого и параболического ППП, видно, что для ОВ с параболическим ППП уширение в (2n₁ / NA)² раз меньше, чем в ОВ с дискретным законом изменения ППП.

В связи с тем, что МОВ со ступенчатым ППП характеризуется большим значением межмодовой дисперсии, коэффициент широкополосности S не превышает 50 МГц×км. В то же время в ОВ с параболическим ППП он равен 100…200 МГц×км. При соответствующей конструкции ОВ с параболическим ППП коэффициент широкополосности S достигает 1000 МГц×км

Таблица 2.4

Параметры	Тип ОВ
	МСО1-2	МСО2-2	МГО1-1 МГО2-1	ЕСО1-1 ЕСО2-1
Диаметр сердцевины, мкм	200 ± 10	400 ± 15	50 ± 3	-
Диаметр оболочки, мкм	360 ± 40	600 ± 50	125 ± 3	125± 3
Наружный диаметр защитного покрытия, мкм	600 ± 100	900 ± 150	230 ± 20	230 ± 20
Неконцентричность защитного покрытия, мкм	60	90	20	20
Неконцентричность сердцевины и оболочки не более, мкм	20	30	3	2
Строительная длина не менее, м	1200	300	2200	2200
Рабочая масса 1 км, кг	0,52	1,2	0,086	0,086

Отечественной промышленностью изготовляются следующие типы ОВ (табл. 2.4).

МСО1-2, МСО2-2 - многомодовое ступенчатое волокно с кварцевой сердцевиной, полимерной оболочкой из силиконового (МСО1-2) или морозостойкого (МСО2-2) компаунда и защитным покрытием из фторопласта;

МСО1-1, МСО2-1 - многомодовое ступенчатое волокно с кварцевой сердцевиной, кварцевой оболочкой и одно (МГО1-1) или двухслойной (МГО2-1) полимерной оболочкой из силиконового (МСО1-2) или морозостойкого (МСО2-2) эпоксиакрилата;.

ЕСО1-1, ЕСО2-1 - одномодовое ступенчатое волокно с кварцевой сердцевиной, кварцевой оболочкой и одно-(ЕСО1-1) или двухслойным (ЕСО2-1) защитным покрытием из эпоксиакрилата.