Вопрос: Характеристика оптических волокон.

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния так как обладают рядом достоинств:

1. широкополостность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей;

2. очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в оптическом волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов;

3. ОВ изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди;

4. оптические волокна имеют малый диаметр, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике;

5. оптические волокна являются диэлектриками, следовательно, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды;

6. системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на ОВ могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии;

7. важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить волоконно-оптический кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала.

Для передачи свет (точнее, инфракрасное излучение) вводится под небольшим углом в торец оптического волокна. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна a0 называется угловой апертурой оптического волокна. Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле: NA= sina0

Числовая апертура световода NA зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки - n1 и n2. При этом всегда выполняется условие: n1 > n2 (рис. 4.3). Если угол падения света a больше, чем a0, то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник оптического волокна. Если угол a меньше чем a0, то происходит отражение от границы материалов сердечника и оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника.

Рисунок 4.3 - Распространение света в оптическом волокне

Параметры ОВ:

1. Затухание – это ослабление светового потока в оптоволокне. Природа затухания может быть различной:

- Затухание света в оптическом волокне, вызванное поглощением света. Поглощение может быть определено как превращение мощности светового импульса в тепло, внутренние поглощения, связанные со свойствами материала волокна и молекулярным резонансом, и внешние поглощения, определяемые наличием микропримесей в материале волокна (например ОН-ионов – «водяной пик»).

- Затухание света в оптическом волокне, вызванное рассеиванием излучения. Рассеивание - один из основных факторов затухания света в оптическом волокне. Наличие этого типа затухания связано, прежде всего, с дефектами сердцевины оптического волокна, а также с наличием посторонних вкраплений и примесей в оптическом волокне. Подобные посторонние включения значительно влияют на возможность прохождения светового потока по правильной траектории, приводят к его отклонению и, как следствие, превышению угла преломления и выходу части светового луча через оболочку. Кроме того, наличие неоднородностей волокна приводит к отражению части светового потока в обратную сторону - обратное рассеивание

- Затухания, связанные с изгибами оптического волокна. Различают два типа изгиба волокна: микроизгиб и макроизгиб. Микроизгиб - это микроскопические изменения геометрии сердечника волокна, появляющиеся при производстве. Макроизгибом называют большой изгиб оптического волокна, который превышает минимально допустимый радиус и заставляет световой поток (или часть его) покинуть сердцевину оптического волокна. Минимальный радиус изгиба одномодовых волокон составляет 10 сантиметров. При таком изгибе световой импульс распространяется без сильных искажений. Уменьшение же радиуса изгиба приводит к значительному повышению эффекта рассеивания оптического импульса через оболочку волокна. Для определения полного коэффициента затухания оптического волокна должны быть учтены все факторы, перечисленные выше (рис. 4.4).

Рисунок 4.4 - Факторы, определяющие величину затухания оптического волокна

Коэффициент затухания для заданной длины волны оптического излучения определяется как отношение вводимой в волокно оптической мощности к мощности принятого из волокна оптического сигнала. Обычно коэффициент затухания измеряется в децибелах на километр (дБ/км) и зависит как от параметров оптического волокна, так и от длины волны светового потока (амплитудно-волновая характеристика). Последняя зависимость имеет нелинейный характер. Обобщенно она представлена на рис 4.5.

Рисунок 4.5 - Зависимость величины затухания оптического излучения от длины волны.

Представленный график имеет несколько участков, где затухание оптического сигнала минимально. Эти участки называются окнами прозрачности волокна.

Первое окно прозрачности расположено на длинах волн от 820 до 880 нм и используется в основном для передачи сигналов на короткие расстояния с использованием широкополосных светодиодных источников излучения и коротковолновых лазеров. Основное достоинство такой аппаратуры – ее дешевизна.

Второе окно прозрачности, от 1285 до 1330 нм, активно используется в телекоммуникациях. При относительно высоком затухании оптических сигналов, работающих в этом диапазоне, это окно прозрачности позволяет использовать оптические источники с широкой полосой излучения. Основная причина этого - минимальная величина хроматической дисперсии кварцевого стекла, позволяющая использовать дешевые источники излучения.

Третье окно прозрачности перекрывает диапазон длин волн от 1525 до 1575 нм. Основное достоинство его использования – минимальное затухание оптического сигнала. Однако передача высокоскоростных потоков данных в этом диапазоне сталкивается с обязательным условием компенсации повышенной дисперсии волокна, что ведет к повышению стоимости ВОЛС.

2. Дисперсия - это "размывание" или растягивание светового импульса, происходящее во время передачи его в оптическом волокне.

Дисперсия сильно ограничивает скорость работы оптических систем, заметно снижая граничную полосу пропускания. Определены два основных вида дисперсии в одномодовом волокне: поляризационная модовая ПМД и хроматическая. Хроматическая дисперсия связана, прежде всего, с зависимостью скорости распространения светового потока от длины волны источника излучения. В отличие от идеального источника света, любой реальный источник излучает свет в некоторой полосе частот. Составляющие светового импульса, имеющие разные длины волн, достигают конца оптического волокна с различными задержками времени, искажая, таким образом, исходный импульс (рис.4.6).

Рисунок 4.6 - Хроматическая дисперсия

Хроматическая дисперсия выражается в пс/нм·км и физически может быть выражена как разница времени прохождения оптического световода длиной один километр сигналами двух длин волн, причём эти длины волн должны лежать в заданной полосе спектра излучения оптического источника.

Основная мода передается по одномодовому волокну в виде двух ортогонально ориентированных волновых составляющих. Вследствие неидеальности геометрических размеров сердцевины, а также различного рода механических и оптических факторов появляется некоторая асимметрия показателя преломления и, как следствие, разность скоростей распространения двух ортогонально ориентированных мод. Суммарный световой импульс на выходе из световода, таким образом, получается несколько искаженным (рис 4.7).

Разность времени распространения ортогонально ориентированных мод одномодового оптического волокна, выраженная в пикосекундах, определяется через Поляризационную модовую дисперсию (ПМД).

Рисунок 4.7 - Передача светового импульса по одномодовому оптическому волокну.

Появление такой асимметрии связано, прежде всего, с неидеальностью геометрических размеров сердцевины, но на её величину ощутимо влияют также и такие факторы, как перегибы волокна, повив волокон в кабеле, поперечные и продольные напряжения волокон. Все эти факторы закладываются еще на этапе производства кабеля. Величина ПМД волокон кабеля, измеренная на кабельном барабане перед началом строительства, после прокладки кабеля изменится незначительно.

Поляризационная модовая и хроматическая дисперсии существенно ограничивают возможности передачи оптических сигналов по волокну и после затухания являются наибольшим препятствием для повышения дальности работы цифровых систем. Хроматическая дисперсия может быть компенсирована, как с помощью уменьшения полосы излучаемого спектра лазерного источника, так и смещением хроматической дисперсии кабеля в область более высоких длин волн. Компенсация ПМД невозможна и может быть понижена только с увеличением качества оптических волокон и кабелей.

3. Скорость распространения в оптическом волокне связана с коэффициентом преломления следующей зависимостью:

Cm= C/n, где Cm - скорость распространения света в оптическом волокне, C - скорость света в вакууме, n- коэффициент преломления сердцевины волокна, который зависит от длины волны. Для прохождения по волокну длиной L световому импульсу требуется время t, определяемое как: t = L/ Cm = Ln/C

Типичные значения коэффициента преломления материала сердечника лежат в пределах от 1,45 до 1,55.

1. Полоса пропускания

Полоса пропускания световода является одним из самых важных параметров оптического волокна при передаче высокоскоростных цифровых сигналов. Она во многом определяется его дисперсионными свойствами.

Так как световой импульс во время распространения по волокну искажается как по амплитуде, так и по длительности, это заметно сказывается на возможностях передачи коротких импульсов на больших битовых скоростях.