Введение в оптику Вносимые потери в оптических соединителях Как оконцевать оптический кабель? Словарь терминов и сокращений Шкафы и стойки телекоммуникационные	Телекоммуникационные шкафы

Введение в оптику

1.1 Основные  понятия и термины

1.    Оптическое волокно (волоконный световод).

2.    Многомодовое волокно.

3.    Числовая апертура.

4.    Дисперсия.

5.    Ступенчатое и градиентное многомодовое волокно.

6.    V - параметр. Число мод в волокне.

7.    Одномодовое волокно.

8.    Диаметр модового пятна.

9.    Длина волны отсечки.

10.Оптический кабель.

11.Оптическая мощность.

12.Затухание сигнала (потери).

13.Источники излучения.

1.1.1. Оптическое волокно - это диэлектрическая структура, по которой распространяется оптический сигнал. Типичные волокна имеют следующее строение:

1 - Сердцевина (световедущая жила), по которой, в основном, распространяется оптический сигнал.

2 - Отражающая оболочка, которая окружает сердцевину и препятствует выходу сигнала из волокна.

При этом показатель преломления сердцевины n₁ больше показателя преломления оболочки n₂:

n₁ > n₂

3 - Эпоксиакрилатное покрытие диаметром 250 или буферное полимерное покрытие диаметром 900 мкм, которое защищает сердцевину и оболочку от влаги и внешних воздействий.

1.1.2. Многомодовые волокна (Multimode Fiber) обычно имеют сердцевину диаметром 50 или 62,5 мкм, а отражающую оболочку диаметром 125 мкм и используются для локальных сетей и систем передачи со скоростями до 400 Мбит/с. В качестве источников излучения используются суперлюминесцентные диоды, излучающие на длине волны 850 и 1300 нм.

Лучи, входящие в многомодовое волокно под разными углами, распространяются по разным путям. Такие лучи называются модами:

Моды удерживаются внутри сердцевины и распространяются по зигзагообразной траектории вдоль оси волокна при условии:

1.1.3. Числовой апертурой NA называется синус наибольшего угла a, входя под которым, моды (лучи) ещё удерживаются в сердцевине:

 NA=

По соображениям технологического и прикладного порядка n₁ и n₂ не сильно различаются между собой, так что

D=

Тогда

NA=

NA и D являются важными характеристиками волокна.

Числовая апертура для волокон, применяемых в системах связи, лежит в пределах 0,1...0,2, что соответствует углам a ~ 5,7...11,5⁰.

1.1.4. Дисперсия импульса - это уширение импульса по мере его распространения по волокну. Она определяет ширину полосы и скорость передачи линии.

Причины возникновения дисперсии:

·      Разные моды (лучи) затрачивают различное время на прохождение одного и того же отрезка волокна. Это явление называется межмодовой дисперсией и выражается максимальной разностью времен распространения мод Dt₁.

·      Все используемые на практике оптические источники имеют ненулевую ширину спектра, т. е. излучают на нескольких длинах волн одновременно. А показатель преломления n₁ материала сердцевины зависит от длины волны n₁=D(l) (дисперсия материала). Таким образом, каждая мода имеет разную скорость и, соответственно, время распространения на разных длинах волн. Это явление называется материальной дисперсией. Для источника излучения с шириной спектра Dl и волокна с дисперсией материала сердцевины D(l) разница времен распространения по отрезку волокна длиной l определяется соотношением:

Dt₂= l D(l) Dl

Общая дисперсия импульса определяется суммарным действием межмодовой и материальной дисперсии:

Дисперсия импульса измеряется в с/км [секунда/км] и показывает насколько увеличилась первоначальная длительность импульса t_o после прохождения по волокну расстояния l. Для многомодовых волокон определяющей является межмодовая дисперсия.

1.1.5. Ступенчатое и градиентное многомодовые волокна различаются профилем показателя преломления:

Для многомодовых волокон со ступенчатым профилем определяющей является межмодовая дисперсия, т.е. разность времён распространения различных мод по волокну:

Dt₁=n₁ l D/c

где c - скорость света.

Для градиентных волокон величина межмодовой дисперсии существенно меньше, т.к. лучи, проходящие большее расстояние в среде с меньшим показателем преломления и проходящие меньшее расстояние в среде с большим показателем преломления, затрачивают на это примерно одно время:

Dt₁=n₁ l D²/2c

Поэтому все связные многомодовые волокна являются градиентными.

Численные оценки.

1.1.6. Число мод в многомодовом волокне определяется через нормализованную частоту или V-параметр волокна:

V=p d n₁ l^-1 (2D)^1/2

где p = 3,14

      l - длина волны излучения

      d - диаметр сердцевины

      n₁ - показатель преломления сердцевины

      D=

      n₂ - показатель преломления оболочки

Для ступенчатого волокна число мод определяется выражением:

для градиентного с параболическим профилем показателя преломления оно вдвое меньше:

Соотношения верны для V>>1

Для типичного многомодового волокна V=50, что соответствует 1250 модам в ступенчатом волокне и 625 в градиентном.

1.1.7. Одномодовые волокна (Single Mode Fiber) имеют сердцевину диаметром 8.5 - 10 мкм и используются в телефонии и системах кабельного телевидения с лазерными источниками излучения на длине волны 1300 и 1550 нм.

В таких волокнах распространяетсяся одна мода (один тип лучей). Одномодовое волокно не описывается лучевой оптикой.

В одномодовом волокне уширение импульса проходит за счёт материальной дисперсии. Межмодовая дисперсия равна 0.

Нормализованная частота (V-параметр) для одномодового волокна V<2,4048. Это условие можно использовать для выбора значений d и D для получения одномодовых волокон, рассчитанных на определённую длину волны l. Целесообразно работать с одномодовыми волокнами при V=2,4048, что позволяет иметь максимальный диаметр сердцевины d. Однако, при случайных флуктуациях d одномодовый режим может нарушаться. Чтобы этого избежать, используют волокно с W-образным профилем показателя преломления:

Сердцевина из кварца легируется оксидом германия GeO₂, а отражающая оболочка - бором B, так что n₁>n₂>n₃ .

1.1.8. Диаметр модового пятна

Диаметр модового пятна в одномодовых волокнах определяется соотношением:

w = d (0.65 + 1.619 V^-1.5 + 0.87 V^-6),

где V = p d n₁ l^-1 (2D)^1/2 » pdl^-1 NA,

NA - числовая апертура волокна.

В стандартном одномодовом волокне d = 8.3 мкм, NA = 0.13, так что на рабочей длине волны l = 1.55 мкм диаметр модового пятна w оказывается равным 9.5 мкм.

 Поскольку существенная часть оптической мощности распространяется за пределами сердцевины, то оболочка одномодового волокна должна иметь такие же низкие потери, как и сердцевина.

1.1.9. Длина волны отсечки l_c определяется соотношением:

l_c= p d n₁/ 2.4048

для данного волокна, имеющего определённые d, n₁ и D.

Для любой длины волны l>l_c волокно всегда будет одномодовым.

Для l<l_c волокно становится многомодовым.

1.1.10. Оптический кабель обеспечивает дополнительную защиту волокон от механических воздействий при монтаже и эксплуатации, от внешних факторов (влага, обледенение и т. д.) и, если необходимо, от грызунов. Современные кабели содержат от 1 до 200 и более волокон. Комбинированные кабели могут иметь в своём составе не только одномодовые и многомодовые волокна, но и медные провода. Конструкция кабеля выбирается исходя из условий прокладки и эксплуатации, а тип и количество волокон в кабеле определяются заданными скоростями передачи и топологией системы.

1.1.11. Оптическая мощность сигнала определяется в долях единицы измерения мощности Вт:   милливатт  1 мВт = 10^-3 Вт

                          микроватт  1 мкВт = 10^-6 Вт

                             нановатт  1 нВт = 10^-9 Вт,

а также в относительных единицах, выраженных в логарифмической шкале:

дБм = 10 log (Мощность/1 мВт)

1.1.12. Оптический сигнал, распространяясь по волоконно-оптической линии, испытывает затухание, т. е. уменьшение мощности, как следствие следующих причин:

1. Потери в волокне:

а). поглощение света в волокне из-за взаимодействия с веществами сердцевины и оболочки. Эти потери зависят от длины волны сигнала и снижаются с увеличением чистоты материалов и процесса изготовления волокна.

б). передача энергии сигнала излучаемым модам (из-за нерегулярностей в волокне, вариации диаметра, плотности состава и т.д.)

Потери измеряются в децибелах [дБ]:

Потери [дБ] = - 10 log (Выходная мощность [Вт]/Входная мощность [Вт]) или

Потери [дБ] = Входная мощность [дБм] - Выходная мощность [дБм].

Иногда потерями называют коэффициент ослабления, т.е. потери в расчёте на 1 км волокна.

Типичные значения: Многомодовые волокна 2,70 дБ/км @ 850 нм

                                                                            0,75 дБ/км @ 1300 нм

                                      Одномодовые волокна 0,35 дБ/км @ 1300нм

                                                                             0,25 дБ/км @ 1550нм

2. Потери при стыковке компонентов волоконно-оптической системы:

a). с помощью коннекторов, сплайсов и т.д.

б). с помощью сварки

с). др.

При этом сигнал частично отражается в обратном направлении, что характеризуется обратными потерями:

Обратные потери [дБ] = - 10 log (Мощность обратно отраженного сигнала [Вт]/Входная мощность [Вт]) или

Обратные потери [дБ] = Входная мощность [дБм] - Мощность обратно отраженного сигнала [дБм].

1.1.13. Источники излучения для волоконно-оптических систем излучают в невидимом инфракрасном диапазоне:

В локальных сетях (многомодовые волокна) используются светодиоды (СД) и суперлюминесцентные диоды (СЛД), излучающие на длине волны 850 и 1300 нм.

В телефонии и системах кабельного телевидения (одномодовые волокна): лазерные диоды (ЛД): 1300 нм и 1550 нм.

Типичные характеристики источников излучения

* эффективность ввода излучения СД в волокно с апертурой NA составляет (NA)². Оценка: для NA=0.2 эффективность ввода составляет 4%, что соответствует потерям 14дБ.