Фово Лекции

эффекта присутствуют одновременно, поэтому возникает необходимость учета их совместного влияния для определения общей дисперсии волокна.

При оценке полосы пропускания оптической системы связи или максимальной скорости передачи данных необходимо учитывать форму принимаемых импульсов. Большинство оптических источников излучения имеют приблизительно гауссово распределение мощности по длинам волн. В таком случае следует ожидать, что форма принятого импульса будет также гауссовой.

Пусть уширение импульса происходит под влиянием как межмодовой, так и хроматической дисперсии. Пусть оба механизма независимы друг от друга. Если τ0 - длительность пере-

даваемого импульса на уровне половинной мощности, τmod - уширение импульса, происходящее в результате влияния межмодовой дисперсии, τchr - уширение импульса, происходящее в

результате влияния хроматической дисперсии, то в результате их совместного влияния на выходе образуется импульс длительностью τ :

где τchr =τmat +τw

Рис. 11.3. Передаваемый гауссов импульс

101

11.4. Поляризационная модовая дисперсия

Главная физическая причина появления поляризационной модовой дисперсии (ПМД) является некруглость сердцевины волокна. Электрическое поле световой волны можно всегда представить в виде суперпозиции двух ортогональных линейно поляризованных векторов. В идеальном круглом волокне обе компоненты (моды) распространяются с одинаковой скоростью, и в результате прохождения такого волокна длительность результирующего импульса остается такой же, как и на входе в волокно. Реальные волокна имеют неидеальную геометрию, поэтому две различные составляющие, имеющие перпендикулярные поляризации, распространяются с различными скоростями. Поскольку в традиционных линиях связи фотоприемник на принимающей стороне не оснащается поляризатором из-за потери мощности и удорожания системы связи, и принимает одновременно сигнал от обеих поляризованных составляющих, это приводит к уширению импульса на выходе, которое называется поляризационной модовой дисперсией τpmd .

Из-за небольшой величины ПМД может проявляться исключительно в одномодовых волокнах, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения

0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией. Для учета вклада поляризационной модовой дисперсии в результирующую дисперсию следует добавить слагаемое τpmd :

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является некруглость (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. Стандартные волокна стремятся изготавливать с как можно меньшей нециркулярностью, однако добиться идеального профиля волокна невозмож-

102

но. Есть несколько факторов роста анизотропии профиля волокна [12]:

•несовершенство заводского процесса вытяжки волокон,

•скрутка волокон при изготовлении кабеля,

•изгибы кабеля и как следствие механические деформации волокон,

•изменения температуры окружающей среды, ветровые нагрузки, деформации вследствие обледенения для подвесных волоконно-оптических кабелей.

Из-за наличия динамических факторов даже в пределах отдельного сегмента волокна невозможно определить направление поляризации сигнала. С другой стороны, в местах соединения волокон или изгибах происходит взаимодействие или смешение ортогональных мод. Следовательно, результирующая поляризационная модовая дисперсия носит случайный характер и пропорциональна корню квадратному из длины оптической линии связи L:

где Dpmd - коэффициент поляризационной модовой дисперсии.

Существенным отличием поляризационной модовой дисперсии от хроматической является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как развитых методов компенсации влияния поляризационной модовой дисперсии в настоящее время не разработано.

11.5. Компенсация дисперсии

Классический подход компенсации хроматической дисперсии состоит в следующем: в систему передачи добавляют компоненты с постоянной отрицательной хроматической дисперсией, чтобы свести к нулю накопленную хроматическую дисперсию линии передачи. При тщательном проектировании эта технология позволяет значительно увеличить длину линий переда-

103

чи со скоростями до 10 Гбит/с. Успех методов статической компенсации зависит от того, насколько хорошо постоянная дисперсия компенсирующего кабеля или других компонентов согласуется с дисперсией линии передачи.

Логическим развитием методов компенсации стало использование таких компонентов, дисперсия которых может перестраиваться как по величине, так и по длине волны, что допускает возможность динамической компенсации. Для динамической компенсации используется обратная связь, в которой измеренное значение дисперсии используется при выработке управляющего сигнала для устройства компенсации дисперсии.

Выводы

На основе выводов из предыдущей лекции, касающихся природы материальной дисперсии, получена формула для расчета материальной дисперсии в оптических волокнах. Показано, что материальная дисперсия в оптических волокнах определяется величиной второй производной от показателя преломления

∂2n . Рассмотрены хроматическая дисперсия и понятие длины

∂λ2

волны нулевой дисперсии, поляризационная модовая дисперсия. Рассмотрен учет совместного влияния различных видов дисперсии.

Вопросы и задачи

11.1.По какой формуле рассчитывается материальная дисперсия при распространении сигнала в объемной среде?

11.2.Что такое ширина спектра источника излучения?

11.3.В каких единицах измеряется материальная дисперсия? (см. лекцию № 10)

11.4.Что такое хроматическая дисперсия?

11.5.Что такое длина волны нулевой дисперсии?

11.6Что такое ПМД (поляризационная модовая дисперсия)?

11.7.В каких единицах измеряется поляризационная модовая дисперсия?

11.8.Как учесть совместное влияние различных видов дисперсии?

104

11.9. Можно ли скомпенсировать поляризационную модовую дисперсию?

11.10. Оценить расстояние Lo, при котором хроматическая и поляризационная модовая дисперсия сравниваются по величине, если коэффициент хроматической дисперсии D=2 пс/(нм км), коэффициент поляризационной модовой

дисперсии Dpmd = 0,5 пс/ км , а ширина спектрального излучения λ = 0,05 нм.

ЛЕКЦИЯ 12 Затухание в волокне.

12.1. Потери в оптических волокнах

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как потери на поглощении, потери на рассеянии, кабельные потери. Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями.

Затухание

Рис. 12.1. Основные типы потерь в волокне Полное затухание в волокне определяется в виде суммы и

измеряется в дБ/км:

105

хвосты их полос поглощения захватывают эту область при очень малом уровне потерь (см. рис. 12.2).

Край ультрафиолетовой и инфракрасной полос поглощения играет важную роль в материалах, используемых для изготовления оптических волокон. Однако эти материалы могут также содержать примеси, способные вызвать поглощение на интересующих нас длинах волн. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь (рис.12.2). Следует отметить характерный максимум поглощения в районе 1480 нм, который соответствует парам воды. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь до настоящего времени практически не использовалась. Однако, в последние годы разработана принципиально новая технология изготовления оптических волокон, исключающая наличие паров воды в оптическом волокне, что позволило говорить об открытии для передачи нового окна прозрачности.

Потери на рассеянии. По своей природе кварцевой волокно является неупорядоченной структурой, в которой имеются микроскопические отклонения от средней плотности материала, а также локальные микроскопические изменения в составе. Каждое из указанных изменений приводит к флуктуациям показателя преломления в пределах областей, размер которых мал по сравнению с длиной волны оптического диапазона. Рассеяние света на таких микроскопических неоднородностях называется

рэлеевским рассеянием.

Потери, обусловленные рэлеевским рассеянием, могут быть минимизированы путем более тщательного контроля процесса охлаждения расплава, из которого затем будет вытягиваться волокно. Характерная особенность данного явления состоит в том, что рассеиваемая мощность, а, следовательно, и потери обратно пропорциональны длине волны в четвертой степени. Из рис. 12.2 видно, что именно рэлеевской рассеяние, а не край полосы ультрафиолетового поглощения является основной причиной потерь в кварцевых оптических волокнах но длинах волн короче

1500 нм.

Кабельные потери αrad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении по-

107

крытий и защитных оболочек, производства кабеля и его прокладки. При современном уровне производства при соблюдении технических условий вклад со стороны кабельных потерь должен быть минимальным.

Длина волны отсечки определяется как наименьшая длина волны, при которой в волокне реализуется одномодовый режим распространения излучения. Длина волны отсечки зависит от натяжения волокна, радиуса изгиба волокна, сжатия и т.д. Поэтому длина волны отсечки оптического кабеля меньше длины волны отсечки свободного волокна.

12.2. Оптимальная длина волны для кварцевого оптического волокна. Потенциальные ресурсы оптического волокна

Основными характеристиками системы связи являются полоса пропускания и расстояние между ретрансляторами, а определяющими параметрами волокна - дисперсия и потери. Современные оптические волокна оптимизированы для передачи на длинах волн 850 нм, 1310 нм, 1550 нм. Первые линии связи на многомодовых волокнах работали в окне прозрачности вблизи длины волны 850 нм (это первое окно прозрачности). Эта длина волны соответствует самым распространенным источникам излучения из арсенида галлия. Линии магистральной и внутризоновой связи работают во втором окне прозрачности вблизи длины волны 1310 нм (1285÷1330 нм). Длина волны 1310 нм соответствует длине волны нулевой дисперсии кварцевого волокна, причем в окрестностях 1310 нм имеет место локальный минимум потерь (рис. 12.2). Длина волны 1550 нм соответствует минимальным потерям в волокне (это третье окно прозрачности). Наиболее перспективными для высокоемких сетей связи являются третье (1530÷1565 нм) и четвертое (1565÷1625 нм) окна прозрачности, в которых все современные типы оптических волокон имеют наименьшее затухание (0,18÷0,20 дБ/км).

Не принимая во внимание дисперсию, рассмотрим потенциальные возможности волокна [3]. Длина волны и частота свето-

108

дящим с точки зрения магистральных протяженных сетей является окно 1550 нм, поскольку в этом окне достигается минимальное затухание сигнала. Несмотря на такие большие ресурсы волокна, реализовать передачу на скорости 25 Тбит/с в настоящее время невозможно, поскольку соответствующая частота модуляции пока недостижима. Однако есть другое эффективное решение, идея которого заключается в разделении всей полосы на каналы меньшей емкости. Каждый из таких каналов можно использовать под отдельное приложение. Эта технология из-

вестна как волновое мультиплексирование (WDM). Техноло-

гия WDM позволяет увеличить пропускную способность волокна не за счет увеличения частоты модуляции, а за счет добавления новых длин волн - новых несущих. Единственное условие, которое необходимо выполнить - это исключить перекрытие между спектральными каналами.

Градиентное многомодовое волокно. Широко использу-

ются два стандарта многомодового градиентного волокна - 62,5/125 и 50/125. Полоса пропускания этих волокон на длине волны 1300 нм в два раза превышает полосу пропускания на длине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. Полоса пропускания определяется дисперсией, которая состоит из межмодовой и хроматической дисперсии. Если межмодовая дисперсия слабо зависит от длины волны (см.(10.4)), то хроматическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излучения (11.8). Хроматическая дисперсия в окрестностях 1300 нм очень мала, однако возрастает для длины 850 нм. С учетом того, что обычно в качестве передатчиков используются светоизлучающие диоды, имеющие ширину спектра источника

109

λ ≈50 нм , хроматическая дисперсия на длине волны 850 нм

начинает играть существенную роль наряду с межмодовой дисперсией. Значительно уменьшить хроматическую дисперсию можно, применяя в качестве источника излучения лазерные диоды, имеющие значительно меньшую ширину спектра излучения. В полной мере воспользоваться этим преимуществом лазерных источников можно только при использовании одномодового волокна в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм, когда полностью отсутствует межмодовая дисперсия, и остается только хроматическая дисперсия.

Одномодовые волокна. С точки зрения дисперсии, существующие одномодовые волокна разбиваются на три типа: стандартные волокна SF со ступенчатым профилем (рис. 12.3, а), волокна со смещенной дисперсией DSF (рис. 12.3, б) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

а) б)

Рис. 12.3. Профили показателей преломления одномодовых во-

локон. а) SF, б) DSF.

Все три типа волокон очень близки по затуханию на длинах волн 1310 нм и 1550 нм, но отличаются характеристиками хроматической дисперсии. Стандартное волокно SF оптимизировано по дисперсии для работы в окне 1310 нм (длина волны нулевой дисперсии), хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм. Волокно со смещенной дисперсией DSF полностью оптимизировано для работы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по

110