- Главная
- Разновидности оптических волокон
Разновидности оптических волокон
Краткое описание принципов работы.
| Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод, изготовленный из кварцевого стекла. Он имеет световедущую сердцевину с показателем преломления света n1, окруженную оболочкой с показателем преломления n2, причем n1>n2. |  |
| Попадая в световедущую сердцевину, свет распространяется в ней за счет эффекта полного внутреннего отражения. Этот эффект имеет место при падении луча света на границу раздела двух сред из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем n2, и наблюдается только до определенных значений угла падения Qкр, величина которого определяется различиями n1 и n2 (см. рис.1). Согласно законам оптики значение Qкр определяет соотношение cos Qкр = (n12-n22)2/n1. Лучи света, падающие на границу раздела n1/n2 под углами большими Qкр будут распространяться в световедущей сердцевине с очень малыми потерями, а лучи не удовлетворяющие этому условию - выходить в оболочку и быстро затухать. Обычно свет вводится в волокно через торец. Предельная величина угла падения луча света на торец волокна связана с критическим углом соотношением sin am = n1•cos Qкр = (n12 - n22)1/2 = (2n • dn)1/2, где n = (n1 + n2)/2, а dn = n1 - n2. Величина NA = sin am = (2n • dn)1/2 называется числовой апертурой волокна и определяет способность волокна собирать и передавать свет. Луч света, введенный в волокно под углом меньшим m, будет распространяться по всей длине волокна. Такой луч называется ведомой модой или просто модой. Как новая физическая среда для передачи информации оптическое волокно имеет ряд существенных преимуществ, по сравнению с другими, среди которых: 1. Широкая полоса частот (до 1014 Гц) и низкое затухание света в волокне (~ 0,1-0,2 дБ/км) обеспечивают передачу массивов информации с высокими скоростями и на большие расстояния (до сотен километров без регенерации сигнала). 2. Кварцевое стекло как среда передачи нечувствительно к электромагнитным полям. Поэтому волокно может прокладываться вместе с силовыми кабелями, без опасности возникновения наведенных помех и ошибок при передаче информации. 3. Оптическое волокно пожаровзрывобезопасно, в волоконно-оптических сетях обеспечивается гальваническая развязка между передающим и приемным оборудованием. 4. Оптическое волокно, как канал связи, имеет высокую степень защиты от прослушивания и несанкционированного съема информации. 5. Волоконно-оптические линии имеют значительно меньшие объем и массу в расчете на единицу передаваемой информации, чем любые другие; исходным сырьем для изготовления волокна является кремний, запасы которого на земле практически неограниченны. Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ) и одномодовые (SM), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению. Диаметр сердцевины оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления лежит в пределах от 100 до 200 мкм; значение показателя преломления n1 по всему поперечному сечению сердцевины постоянно и резко падает (ступенчатый) на границе с оболочкой (рис. 2).  В ступенчатом волокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине волокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по волокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по волокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по волокну. Область применения ступенчатых волокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм. В многомодовом оптическом волокне с градиентным профилем показателя преломления значение показателя преломления плавно изменяется от центра к краям сердцевины по закону, близкому к n2(r) = n12(1 - 2d(r/a)2) , где а - радиус сердцевины; d = n1 - n2. (рис. 3). Благодаря этому число распространяющихся в сердцевине мод и различия в длинах оптических путей этих мод значительно уменьшаются и соответственно уменьшается и дисперсия.  Градиентное волокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм. Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм (рис. 4). В этом волокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн L1 = 1,31 мкм и L2 = 1,55 мкм. С развитием магистральных и локальных волоконно оптических сетей связи было освоено производство нескольких дополнительных типов одномодовых оптических волокон, отличающихся величиной затухания, его распределением по спектру и дисперсией. Распространение света в волоконном световоде характеризуется множеством параметров, самыми важными из которых являются потери на распространение и дисперсия в заданном спектральном диапазоне. Потери характеризуются величиной затухания световой волны на единицу длины волокна и измеряются в дБ/км. Дисперсия определяет степень уширения светового импульса по мере его прохождения по волокну. Существует три вида дисперсии в оптическом волокне: межмодовая, хроматическая и поляризационно-модовая. В зависимости от типа волокна в нем преобладает тот или иной вид дисперсии. В многомодовых волокнах определяющей является межмодовая дисперсия, которая обусловлена наличием большого числа распространяющихся мод и различиями времен их распространения по волокну. Межмодовая дисперсия не зависит от длины волны излучения, поэтому дисперсионные характеристики многомодовых оптических волокон оцениваются по информационной полосе пропускания в МГц•км. В стандартных одномодовых волокнах определяющей является хроматическая дисперсия, которая выражается в различии показателей преломления и, следовательно, в скоростях распространения излучения с различными длинами волн. Величина этой дисперсии зависит от типа источника излучения и измеряется в пс. Хроматическая дисперсия выбрана международным союзом связистов (INU) в качестве критерия для классификации одномодовых оптических волокон. Согласно этому критерию, существует три типа одномодовых оптических волокон: 1. Стандартное одномодовое волокно (тип G.652). Это наиболее ходовой тип волокна, используется в мире с 1988 года в магистральных и зоновых волоконно-оптических системах. Параметры (потери и дисперсия) этого волокна оптимизированы на длину волны 1310 нм (минимум хроматической дисперсии), оно может использоваться и в диапазоне длин волн 1525...1565 нм, где имеет место абсолютный минимум потерь в волокне. 2. Одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией (тип G.653). Называется так потому, что абсолютный минимум хроматической дисперсии путем выбора специальной формы профиля показателя преломления смещен в диапазон длин волн L = 1550 нм абсолютного минимума потерь в волокне. Волокно G.653 оптимизировано для высокоскоростной передачи на одной длине волны и имеет ограниченные возможности для передачи на нескольких длинах волн. Использовалось при строительстве магистральных линий связи в Японии, Италии, США и других странах с 1985 года. 3. Одномодовое волокно со смещенной в область длин волн L = 1550 нм ненулевой дисперсией (тип G.655).Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи информации на нескольких длинах волн в диапазоне L = 1550 нм. Волокно G.655 разработано для волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов - DWDM-систем. Измерение хроматической дисперсии в одномодовых ВОЛС довольно продолжительное время также считалось неактуальным, так как предполагалось, что коэффициент хроматической дисперсии - паспортный параметр ОВ, который измеряется в заводских условиях и в процессе прокладки ОК и эксплуатации ВОЛС не изменяется. Это было справедливо для ВОЛС со скоростями передачи до 622 Мбит/с (STM 4). При скорости передачи 2,5 Гбит/с и более, которые стали применяться в конце 80-х годов, было обнаружено существенное влияние температуры и других внешних воздействий на этот параметр. Главной тенденцией в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является увеличение скорости передачи информации и полосы частот передаваемых по волокну сигналов. В настоящее время уже существуют коммерческие ВОЛС, обеспечивающие скорости передачи информации до 100 Гбит/с, и имеются все предпосылки и технические возможности для создания ВОЛС на скорости передачи информации до 1000 Гбит/с на расстояния до тысячи километров. При таких скоростях существенное влияние на качество передачи информации начинает оказывать поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) волокна, которая до последнего времени не принималась во внимание. К настоящему времени ведущие производители оптических волокон уже ввели спецификацию на ПМД волокна. ПМД - это дисперсия, вызываемая разностью в скоростях распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, существующих в одномодовом волокне. Наличие ПМД приводит к тому, что результирующий выходной импульс света уширяется по сравнению с входным. В идеальном волокне эти моды являются вырожденными, имеют одинаковые скорости распространения и поэтому ПМД отсутствует. Разность в скоростях распространения ортогональных мод в волокне может быть вызвана целым рядом причин, которые в общем случае влияют на такие характеристики волокна как двулучепреломление и взаимодействие или смешение мод. Двойное лучепреломление (или двулучепреломление) обусловлено разницей значений показателей преломления для двух ортогональных мод. Чем выше двулучепреломление в волокне, тем больше его ПМД. Взаимодействие или смешение мод происходит на тех участках волокна, где осуществляется обмен энергией световой волны между быстрыми и медленными модами, например в местах соединения волокон или изгибах. Следовательно, результирующая ПМД складывается случайным образом и величина ПМД носит случайный характер. Именно поэтому на длинных отрезках волокна значение ПМД пропорционально квадратному корню из длины волокна L. ПМД влияет на работу ВОЛС так же, как и хроматическая дисперсия, но механизм уширения импульсов в этих случаях различен. Существенным отличием ПМД от хроматической дисперсии является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как методов компенсации влияния ПМД в настоящее время не существует. Как отмечалось выше, в прошлом влияние ПМД не принималось во внимание, поскольку скорости передачи, а также расстояния между регенераторами в ВОЛС были относительно невелики. В настоящее время, когда скорости передачи достигают сотен Гбит/с, а расстояния между оптическими регенераторами в ВОЛС - сотен километров, ПМД становится ограничивающим фактором при разработке ВОЛС. Таким образом, чтобы дать разработчикам ВОЛС возможность эффективно учитывать роль ПМД в технических характеристиках ВОЛС, становится необходимым оговаривать величину ПМД в спецификации волокна и кабеля. ПМД может быть ограничивающим фактором как для цифровых, так и аналоговых систем. При создании высококачественных аналоговых систем кабельного телевидения протяженностью более 50 км уже необходимо учитывать ПМД, так как в таких системах предъявляются высокие требования к отношению сигнал/шум. Сейчас, по видимому, уже и волоконные сети доступа будут нуждаться в спецификации ПМД, иначе они могут не обеспечивать высококачественную передачу сигналов, а также возможность дальнейшего развития систем. Измерение хроматической дисперсии в одномодовых ВОЛС довольно продолжительное время также считалось неактуальным, так как предполагалось, что коэффициент хроматической дисперсии - паспортный параметр ОВ, который измеряется в заводских условиях и в процессе прокладки ОК и эксплуатации ВОЛС не изменяется. Это было справедливо для ВОЛС со скоростями передачи до 622 Мбит/с (STM 4). При скорости передачи 2,5 Гбит/с и более, которые стали применяться в конце 80-х годов, было обнаружено существенное влияние температуры и других внешних воздействий на этот параметр. Главной тенденцией в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является увеличение скорости передачи информации и полосы частот передаваемых по волокну сигналов. В настоящее время уже существуют коммерческие ВОЛС, обеспечивающие скорости передачи информации до 100 Гбит/с, и имеются все предпосылки и технические возможности для создания ВОЛС на скорости передачи информации до 1000 Гбит/с на расстояния до тысячи километров. При таких скоростях существенное влияние на качество передачи информации начинает оказывать поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) волокна, которая до последнего времени не принималась во внимание. К настоящему времени ведущие производители оптических волокон уже ввели спецификацию на ПМД волокна. ПМД - это дисперсия, вызываемая разностью в скоростях распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, существующих в одномодовом волокне. Наличие ПМД приводит к тому, что результирующий выходной импульс света уширяется по сравнению с входным. В идеальном волокне эти моды являются вырожденными, имеют одинаковые скорости распространения и поэтому ПМД отсутствует. Разность в скоростях распространения ортогональных мод в волокне может быть вызвана целым рядом причин, которые в общем случае влияют на такие характеристики волокна как двулучепреломление и взаимодействие или смешение мод. Двойное лучепреломление (или двулучепреломление) обусловлено разницей значений показателей преломления для двух ортогональных мод. Чем выше двулучепреломление в волокне, тем больше его ПМД. Взаимодействие или смешение мод происходит на тех участках волокна, где осуществляется обмен энергией световой волны между быстрыми и медленными модами, например в местах соединения волокон или изгибах. Следовательно, результирующая ПМД складывается случайным образом и величина ПМД носит случайный характер. Именно поэтому на длинных отрезках волокна значение ПМД пропорционально квадратному корню из длины волокна L. ПМД влияет на работу ВОЛС так же, как и хроматическая дисперсия, но механизм уширения импульсов в этих случаях различен. Существенным отличием ПМД от хроматической дисперсии является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как методов компенсации влияния ПМД в настоящее время не существует. Как отмечалось выше, в прошлом влияние ПМД не принималось во внимание, поскольку скорости передачи, а также расстояния между регенераторами в ВОЛС были относительно невелики. В настоящее время, когда скорости передачи достигают сотен Гбит/с, а расстояния между оптическими регенераторами в ВОЛС - сотен километров, ПМД становится ограничивающим фактором при разработке ВОЛС. Таким образом, чтобы дать разработчикам ВОЛС возможность эффективно учитывать роль ПМД в технических характеристиках ВОЛС, становится необходимым оговаривать величину ПМД в спецификации волокна и кабеля. ПМД может быть ограничивающим фактором как для цифровых, так и аналоговых систем. При создании высококачественных аналоговых систем кабельного телевидения протяженностью более 50 км уже необходимо учитывать ПМД, так как в таких системах предъявляются высокие требования к отношению сигнал/шум. Сейчас, по видимому, уже и волоконные сети доступа будут нуждаться в спецификации ПМД, иначе они могут не обеспечивать высококачественную передачу сигналов, а также возможность дальнейшего развития систем. |
|