Исследование параметров оптоволоконного тракта

Введение

За последние годы достигнут значительный прогресс в создании новых перспективных средств связи, повышающих качество и эффективность передачи информации различного вида, расширяющих услуги связи, снижающих трудои материалоемкость в отрасли.

В числе таких средств — волоконно-оптические системы передачи (ВОСП), которые являются основой для построения современной цифровой сети.

Первые работы по лазерной связи относятся к началу 60-х годов. В качестве тракта использовались приземные слои атмосферы. Однако открытые (атмосферные) линии, подверженные влиянию метеорологических условий, не обеспечивали необходимой надежности связи.

Создание высоконадежных кабельных систем оптической связи стало возможным после разработки в 1970 году оптических волокон с малыми потерями, менее 20 дБ/км. В этом же году в Ленинграде Ж. И. Алферов создал полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры. Эти структуры оказались наиболее перспективными (среди других полупроводниковых материалов) для источников и приемников излучения и используются до сих пор в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

Уникальные качества волоконно-оптических коммуникаций, по сравнению с системами передачи, использующими медные кабели или радиоэфир в качестве среды передачи, стимулировали разработку промышленных технологий производства волоконных кабелей, разработку специализированного оборудования (в том числе специального измерительного оборудования) и элементной базы ВОСП: излучателей, модуляторов, фотоприемников, разъемных соединителей, разветвителей и других элементов.

К началу 80-х годов на имеющихся экспериментальных и опытных образцах компонентов были созданы, опробованы и получены результаты НИР по созданию ВОЛС различного назначения. В частности, были разработаны бортовые ВОЛС для подвижных объектов: самолетов, кораблей, танков и др. Эти линии имели небольшую длину, использовали преимущественно волокно с диаметром сердцевины 200−400 мкм, световоды и pin-фотодиоды диапазона 0,85 мкм. Главным преимуществом ВОЛС перед традиционными системами связи на борту была их невосприимчивость к электромагнитным полям.

В мае 1981 года было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». С его выходом было положено начало организации широкомасштабных работ в области ВОЛС.

К 1988 году для одномодовых волокон были достигнуты потери, близкие к теоретическому пределу; на длине волны 1,3 мкм — 0,36 дБ/км и на длине волны 1,55 мкм — 0,21 дБ/км.

К концу 80-х годов в стране была частично создана, а на 90% закуплена за рубежом технологическая база для выпуска ОВ. Разработки ведущих НИИ, а особенно АН СССР, отличались высокими характеристиками и неплохим качеством, но получить промышленное волокно с такими же характеристиками не удалось. Отечественное промышленное волокно серьезно уступало зарубежному по прочности и стабильности характеристик при эксплуатации. Низкое качество отечественного волокна вынудило Минсвязи сделать ставку на импортное волокно при производстве отечественных ОК, так как это было экономически целесообразнее при прокладке ВОЛС, которые в то время начали широко внедряться. Учитывая, что Министерство связи является самым мощным по объемам потребителем ОК, производство отечественного ОВ в начале 90-х годов было практически остановлено.

В настоящее время в РФ крупнейшими производителями оптоволоконного кабеля с использованием импортного оптоволокна являются СП ЗАО «Москабель-Фуджикура», СП ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания», СП ЗАО «ОФС Связьстрой-1», ЗАО «Сарансккабель-Оптика», ЗАО «Трансвок», ЗАО НФ «Электропровод», ЗАО «Севкабель — Оптик», ЗАО «Яуза-кабель» и др.

Для ближней связи широкое применение получили системы с рабочими длинами волн 0.85.0.9 мкм и относительно недорогими оптическими кабелями. В качестве источников излучения используются как лазеры, так и светодиоды.

В системах с высокими скоростями передачи и особенно в системах дальней связи целесообразно использовать излучение с длинами волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. При этом удается снизить затухание в кабеле до 0,18…0,2 дБ/км и увеличить длину регенерационного участка в магистрали более 100 км. Это позволяет исключить потребность в дистанционном электропитании линейных регенераторов и соответственно упростить конструкцию кабеля (не нужны медные жилы).

Преимущества современных волоконно-оптических коммуникаций:

— широкая полоса пропускания (полоса пропускания оптического диапазона 187,5 ТГц) обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей — около 10¹⁴ Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания — одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или другой средой передачи информации.

— малое затухание оптического сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественное и зарубежное оптическое волокно имеет затухание 0,2−0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью более 100 км.

— низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания за счет использования различных способов модуляции сигналов при малой избыточности их кодирования.

— высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, то оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередач, электродвигательные установки и т. д.) и не генерирует собственные электрические шумы. Передаваемые сигналы не искажаются ни одной из форм внешних электронных, электромагнитных или радиочастотных помех.

— высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучают в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи.

— малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность, что снижает затраты на его транспортировку и прокладку.

— гальваническая развязка. Это преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве.

— взрыво-пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

— экономичность. Волокно изготовляется из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенная в природе и является, в отличие от меди, недорогим материалом. В настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносятся как 2: 5.

— длительный срок эксплуатации. В настоящее время срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем.

Прогресс в развитии оптических систем связи идет также бурно и стремительно, как и прогресс в развитии метрологического оборудования оптических систем связи. Новейшие технологии в области цифровой схемотехники позволили ранее громоздкие приборы сделать миниатюрными, более надежными, более высокоточными и более удобными в эксплуатации.

Для достижения требуемых параметров передачи ВОЛС и высоких эксплуатационных качеств ВОСП метрологическое обеспечение строительства и технической эксплуатации должно создавать возможность контроля практически всех операций монтажа оптических кабелей, измерения их параметров и параметров ВОЛС. Для контроля параметров оптических кабелей разработано большое количество методов измерения.

Настоящая дипломная работа посвящена разработке лабораторной установки для исследования параметров оптоволоконного тракта с помощью современных измерительных приборов.

Разработанный в дипломной работе лабораторный стенд позволит студентам старших курсов в большей степени изучить методы измерения параметров оптоволоконного тракта, а так же получить практические навыки в работе с измерительной аппаратурой и оборудованием ВОЛС.

1. Измерения на оптоволоконном тракте

1.1 Параметры оптических волокон Волоконно-оптический кабель (ВОК) — один из основных элементов волоконно-оптической системы передачи. Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК), или в дальнейшем оптического кабеля (ОК), является оптическое волокно (ОВ)

Оптическое волокно (ОВ) — это оптический волновод ВОСП, предназначенный для направленной передачи оптического излучения, выполненный в виде тонкой стеклянной нити цилиндрической формы с круглым поперечным сечением. ОВ состоит из сердцевины, одной или нескольких оболочек и одного или нескольких защитных покрытий. Сердцевина ОВ — это центральная область ОВ, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ) и одномодовые (SM), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины (рис. 1, 2).

Рис. 1 Многомодовое оптоволокно Рис. 2 Одномодовое оптоволокно

В одномодовом ОВ диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны, и по нему передается лишь один тип волны (моды). В многомодовых ОВ диаметр сердцевины больше длины волны, и по нему распространяется большое число волн. Практически диаметр сердцевины световода составляет 6−8 мкм у одномодовых и 50 мкм у многомодовых световодов, диаметр оболочки 125 мкм, диаметр волокна по защитному покрытию — 250 мкм.

Сердцевина и оболочка ОВ обладают разными оптическими характеристиками (показателями преломления n₁ и n₂).

Согласно закону Снеллиуса (закон преломления) лучи света, падающие на границу раздела двух сред, имеют углы преломления, отличные от углов падения к нормали границы этих сред. Связь этих углов определяется выражением:

n₁ sin ?_1п = n₂ sin ?_1пр, (1)

где n₁ и n₂ — показатели преломления первой и второй сред, соответственно.

Показатели преломления n (величина безразмерная) выражается через отношение скорости света в вакууме © к скорости света в материале (v):

(2)

Если излучение видимой области спектра падает на границу раздела двух сред и переходит из оптически более плотной среды n₁ на оптически менее плотную n₂ (n₂ < n₁) и угол падения увеличивается, то угол преломления приближается к 90^о. Увеличивая угол падения, можно добиться такого состояния, при котором преломленный луч будет располагаться вдоль границы раздела сред, не переходя в другую среду (луч 2 рис. 3).

Рис. 3 Прохождение лучей в волоконном световоде Угол падения при этом называется критическим углом (?_кр) полного внутреннего отражения, т. е. угол падения, при котором угол преломления равен 90^о, называется критическим углом. Если угол падения больше критического, то свет полностью отражается в исходную среду, не проникая в другой материал (луч 1 рис. 3). При этом имеет место только отражение, а преломление отсутствует, что приводит к полному внутреннему отражению,

т.е. при ?_1пр =90^о

(3)

На этом явлении основан принцип передачи оптического излучения по ОВ.

Профили показателей преломления (ППП) различных ОВ приведены на рис. 4.

ППП многомодовых ОВ подразделяются на ступенчатые и градиентные.

Рис. 4. Профили показателей преломления ОВ:

многомодовых: 1 — ступенчатого, 2 — градиентный;

одномодовых: 3 — ступенчатого, 4 — треугольного, 5 — типа W.

В ступенчатых ППП показатель преломления в сердцевине постоянен и имеется резкий переход от n₁ сердцевины к n₂ оболочки. Градиентные ППП имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии.

В одномодовых ОВ ППП, в свою очередь, подразделяется на ступенчатый, треугольный, типа W (рис. 4).

Рис. 5. Волоконные световоды:

а — ступенчатые многомодовые;

б — градиентные многомодовые;

в — одномодовые Траектории лучей в световодах различных групп представлены на рис. 5. В ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердцевина-оболочка. При этом пути следования различных лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени, что приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии). В градиентных световодах лучи распространяются по волнообразным траекториям, поэтому искажений меньше. В наилучших условиях находится одномодовая передача, так как здесь распространяется лишь один луч.

Математически профиль показателя преломления (ППП) ОВ может быть описан выражением вида:

(4)

где n₁ — максимальное значение ППП на оси волокна, т. е. при r = 0;? — радиус сердцевины; u — показатель степени, описывающий изменение ППП;? — относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ. В разных волокнах значение? меняется от 0,003 до 0,01.

При угле падения, равном 90^о, когда свет проходит в более плотную среду, некоторая его часть отражается в исходную среду. Этот эффект получил название отражение Френеля. Чем больше разница показателей преломления сред, тем большая доля света отражается назад.

Показатель Френелевского отражения на границе с воздухом:

(5)

В децибелах потери переданного света составляют:

А = 10lg (1- р). (6)

Среднее значение показателя преломления (ПП) оболочки меньше среднего значения в сердцевине. Если сердцевина служит для передачи оптического излучения, то оболочка — для создания лучших условий отражения на границе раздела сердцевина — оболочка, защиты сердцевины волокна от механических повреждений, а также для защиты от излучения энергии в окружающее пространство и поглощения нежелательного излучения извне.

В аморфном материале типа стекла структура материала не везде однородна, поэтому стекло никогда полностью не будет прозрачно. Световой луч, распространяющийся через такой материал, частично рассеивается во всех направлениях (например, луч солнечного света в пыльном или заполненном дымом помещении) (рис. 6).

Рис. 6 Рэлеевское рассеяние света из-за примесей в среде передачи Это явление называется рэлеевским рассеянием и вызвано присутствием в среде маленьких частиц и неоднородностей. Рассеянный свет называется светом Тиндаля.

Лорд Рэлей объяснил это явление и показал, что рассеяние имеет решающее значение в выборе диапазона волн в волоконной оптике. Чем больше длина волны, тем меньше потери от рэлеевского рассеяния.

У ОВ и ОК существует множество параметров, которые можно разделить по группам [2]:

Характеристики передачи и оптические характеристики.

Геометрические характеристики.

Механические характеристики.

Климатические и эксплуатационные характеристики.

К оптическим характеристикам относят:

— затухание, коэффициент затухания, потери в стыках;

— дисперсию, полосу пропускания, длину волны нулевой дисперсии;

— числовую апертуру, диаграмму направленности;

— профиль показателя преломления;

— диаметр модового поля (для одномодовых ОВ);

— критическую длину волны (для одномодовых ОВ).

К геометрическим характеристикам относят:

— длину ОВ или ОК, расстояние до места повреждения или неоднородности;

— диаметры сердцевины, оболочки, защитного покрытия ОВ, размеры элементов конструкции ОК;

— эксцентриситеты сердцевины по отношению к оболочке и защитному покрытию, а также некруглости сердцевины, оболочки и защитного покрытия.

К механическим характеристикам относят:

— допустимые растягивающие и раздавливающие усилия для ОВ и ОК;

— допустимое число закручиваний и допустимый радиус изгиба ОВ и ОК;

— устойчивость к ударам и вибрациям;

— допустимое осесимметричное сжатие (для подводных ОК).

К климатическим и эксплуатационным характеристикам относят:

— стойкость к повышенным и пониженным температурам, пожароустойчивость;

— стойкость к воздействию влаги и агрессивным средам;

— радиационную стойкость;

— герметичность.

Большая часть этих характеристик измеряется при разработке конструкции ОВ и ОК, при заводских испытаниях. В данной работе рассматриваются только те характеристики, которые могут измеряться в процессе строительства и эксплуатации ВОЛС.

1.1.1 Основные оптические параметры ОВ

1. Апертура и аппертурный угол Одной из основных характеристик, определяющих условия ввода оптических сигналов и процессы их распространения в ОВ, является числовая апертура, определяемая для:

* оптических волокон со ступенчатым ППП

(7)

* оптического волокна с градиентным профилем ППП

(8)

В градиентных ОВ используется понятие локальной числовой апертуры. Ее значение максимально на оси волокна и равно 0 на границе раздела сердцевина — оболочка.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец оптического волокна. Из рис. 7 видно, что ОВ пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла ?_А, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения ?_В. Этот телесный угол ?_А характеризуется апертурой.

Апертура — это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец оптического волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Рис. 7. Принцип действия ОВ Обычно пользуются понятием числовой апертуры:

(9)

где n₀, n₁, n₂ — показатели преломления воздуха, сердечника, оболочки соответственно.

Имея в виду, что для воздуха n₀=1, получим

(10)

Между углом полного внутреннего отражения ?_В и апертурным углом падения луча ?_А имеется взаимосвязь. Чем больше угол?_В, тем меньше апертура волокна ?_А. Для ступенчатых ОВ, используемых в системах связи, числовая апертура обычно равна 0,18 — 0,23.

2. Критическая длина волны.

При распространении оптического излучения в ОВ с различными длинами волн возможны варианты [1.3], предельные случаи которых показаны на рис. 8.

Для малых длин волн при ?>0 (рис. 8 а) и волн, соизмеримых с диаметром световода (d) при ?>d (рис. 8 б, в).

Рис. 8. Распространение волн в световоде для частот:

а — очень высоких; б — менее высоких; в — критических В первом случае отражений мало и волна стремится к прямолинейному движению вдоль световода, т. е. передача проходит в выгодных условиях. По световодам возможна передача волн длиной меньше диаметра сердцевины световода.

3. Нормированная частота.

Нормированная частота? — обобщённый параметр ВС. Используется в основном в расчётах для обеспечения одномодового режима. Этот параметр, определяющий число мод, равен:

(11)

где? — длина волны, мкм.

Если 0 <? < 2,405, то режим работы волокна одномодовый, если? > 2,405 — многомодовый. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и тем меньшее расширение получают оптические импульсы. Соответственно увеличивается коэффициент широкополосности ОВ. Таким образом, одномодовое (ООВ) может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое (МОВ).

4. Диаметр модового поля в ООВ.

Важным интегральным параметром ООВ является диаметр модового поля. Этот параметр используется при анализе одномодовых волокон.

В многомодовых ОВ размер сердцевины принято оценивать диаметром (2а), в одномодовых волокнах — с помощью диаметра модового поля (d_МП). Это связано с тем, что энергия основной моды в ООВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее приграничную область. Поэтому d_МП более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды. Величина d_МП является важной при стыковке волокон между собой, а также при стыковке источника излучения с волокном.

В показана зависимость распределения интенсивности (мощности) излучения основной моды одномодового волокна в ближней зоне от радиуса (рис.9). Эта зависимость аппроксимируется с достаточной степенью точности формулой Гаусса:

(12)

где J® — интенсивность излучения на расстоянии r от оси ООВ; J₀ — интенсивность излучения на оси ООВ (при r=O); W_o — радиус модового поля, т. е. значение радиуса, при котором интенсивность излучения составляет 1/е² = 0,35J₀ .

Согласно [6, 15] радиус поля моды W_o в микрометрах определяется при известных значениях v и а=d_c/2 из соотношения

(13)

или

(14)

Тогда искомое значение диаметра модового поля равно d_МП=2W₀.

Рис. 9. Зависимость распределения интенсивности излучения основной моды ООВ в ближней зоне от радиуса.

4. Число мод в многомодовом оптическом волокне.

Общее число мод в МОВ с диаметром сердцевины 2?, заданной числовой апертурой на рабочей длине волны? определяется через нормированную частоту выражением вида:

(15)

В расчетах М может оказаться дробным числом, в то время как число мод в волокне бывает только целым. В волокне с градиентным ППП и теми же значениями диаметра сердцевины, показателей преломления п₁ и п₂ число мод примерно в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым ППП. Количество мод (с учетом всех вырожденных мод) в случае ступенчатого ППП (2.2) определяется выражением вида:

(16)

где u — показатель степени, описывающий изменения ППП.

5. Затухание.

Коэффициент затухании оптического сигнала. Затухание в оптическом волокне — это мера ослабления оптической мощности, распространяемой вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны. Затухание в ОВ выражается в дБ. Коэффициент затухания в ОВ — это величина затухания на единице длины волокна и выражается в дБ/км. Коэффициент затухания в ОВ обуславливается собственными потерями волокна и выражается в виде:

(17)

где ?_рр, ?_пт, ?_ик, ?_пр — составляющие коэффициента затухания за счет рэлеевского рассеяния, поглощения матрицей кварцевого стекла, инфракрасного поглощения и поглощения на примесях ОВ, соответственно.

В общем виде потери энергии в материале волокна зависят от поглощения световой энергии, наличия посторонних примесей, таких как гидроксильные группы (ОН), ионы металлов (железа, кобальта, никеля, меди) и других включений, а так же от потерь на поглощение передаваемой мощности в инфракрасной области сектора.

Общие потери на поглощение в ОВ определяются формулой:

(18)

Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется на рис. 10.

Рис. 10. Механизм основных потерь в световодах:

?_рр — рассеяние на нерегулярностях;

?_пр — поглощение из-за примесей;

?_пм — поглощение в материале волокна Часть мощности, поступающей на вход световода Р_вх, рассеивается из-за изменения направления распространяемых лучей на нерегулярностях и их высвечивании в окружающее пространство (?_рр), другая часть мощности поглощается материалом ОВ (?_пм) в виде поляризации диполей ОВ, посторонними примесями, что проявляется в виде Джоулева тепла (?_пр). В результате мощность на выходе P_вых. уменьшается.

Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей могут быть значительными. Потери на рассеяние лимитируют предел минимально допустимых потерь в ОВ.

Рассеяние, с одной стороны, обусловлено неоднородностями материала ОВ, размеры которых меньше длины волны, а с другой — тепловыми флуктуациями показателя преломления.

Рассеяние света принципиально неустранимо и вносит свой вклад в затухание ОВ даже в том случае, когда потери света на поглощение равны нулю.

Составляющую коэффициента затухания ОВ ?_рр (дБ/км) за счет Рэлеевского рассеяния можно определить из выражения [4, 6]:

(19)

где n₁ — ПП сердцевины и равен 1,48 — 1,50; k = l, 38· 10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана;

Т = 1500К — температура затвердевания стекла при вытяжке;? = 8,1· 10^-11 м²/Н — коэффициент сжимаемости (для кварца).

Составляющую ?_пм (дБ/км), связанную с потерями на диэлектрическую поляризацию, можно определить из выражения:

(20)

где n₁ — показатель преломления сердцевины ОВ; tg? — тангенс угла диэлектрических потерь сердцевины ОВ.

Составляющую ?_ик(дБ/км), обусловленную электронным и атомным резонансами в инфракрасной части спектра за счет колебания атомов в кристаллической решетке, можно определить из выражения [6]:

(21)

где С и к — постоянные коэффициенты, равные, например, для кварца С=0,9 ;

k = (0,7…0,9)10^-6 м.

На рис. 11 представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны. Как видно из графика, рэлеевское рассеивание ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение — в правой части спектра волн.

Рис. 11 Зависимость затухания сигнала в ОВ.

В области длин волн более 1,7 — 1,8 мкм начинают проявляться потери из-за инфракрасного поглощения в кварце, вызванного резонансами атомов в кристаллической решетке SiO2.

Поглощения на примесях связаны с резонансами материала примеси. В частности, поглощением на примеси гидроксильной группы OHопределяются пики потерь в областях длин волн 1383; 1240; 1130; 950; 875; 825 и 725 нм. Этот тип потерь зависит от технологии изготовления волокна. С разработкой более совершенных методов очистки материала кварцевого стекла от примесей и способов защиты от формирования примесей гидроксильной группы в стекле в дальнейшем были получены оптические волокна с пониженным водяным пиком (LPW — low water peak) или, как их еще называют, волокна с нулевым водяным пиком (ZWPzero water peak).

Диапазон работы ВОСП выбирается в области минимального затухания кварцевых оптических волокон и лежит в пределах 1260 -1675 нм. Выделяют шесть спектральных диапазонов, данные которых сведены в таблице 1 [6, 11].

Таблица 1

При дальнейшем увеличении длины волны кварц ОВ заменяется на другие материалы. В частности, в сообщается об испытаниях фирмой Хьюз Эйркрафт волокон, выполненных из поликристалла бромистого и бромойодистого таллия и имеющих на длинах волн 4 — 5 мкм коэффициент затухания, равный 0,01 дБ/км.

На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галоидные, халькогенидные и фтористые стекла. По сравнению с кварцевыми волокнами они обладают большей прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на несколько порядков. С появлением ОВ из новых материалов становится реальным создание ВОЛС без регенераторов. Известны проекты строительства подводной оптической линии через Атлантический океан протяженностью 6000 км без регенераторов, в которых анализируется возможность применения ОВ из тетрафторида, изиркония и фторида бериллия.

Так как теоретические расчеты потерь на рэлеевское рассеяние и поглощение представляют собой сложную задачу и точность таких расчетов мала, то при практических расчётах? удобно применять следующие приближенные формулы:

(22)

где ?_рр — составляющая коэффициента затухания ОВ за счет рэлеевских потерь, дБ/км;? — длина волны оптического излучения, введенного в ОВ, нм;

при расчете ?_рр в одномодовых ОВ второе слагаемое отбрасывается [8]:

(23)

где ?_рр — составляющая, а за счет материальных потерь ОВ, дБ/км;

(24)

где ?_ик — составляющая? ОВ за счет потерь в инфракрасной области, дБ/км.

Из потерь на примесях в реальных ОВ, выпускаемых в соответствии с требованиями ITU — TG.651, G.652, наиболее сильно проявляются потери на гидроксильном остатке воды (ОН), значения которых согласно Rec. G.655 следующие:

(25)

При правильном выборе материала для ОВ и рабочей длины волны? суммарное оценочное значение коэффициента затухания ОВ, выраженное рэлеевскими потерями и общими потерями за счет поглощения, может быть определено согласно выражением:

(26)

где? — коэффициент затухания ОВ, дБ/км; k_п = 0,1−0,25 — экспериментальный поправочный коэффициент, учитывающий потери на поглощение.

6. Дисперсия.

Дисперсия является важнейшим параметром ОВ, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.

Дисперсия — это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ (рис. 2.29) и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ [3]:

(27)

где значения ?_вых и ?_вх определяются на уровне половины амплитуды импульсов.

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.

Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направляемых мод, направляющими свойствами оптического волокна и параметрами материала, из которого оно изготовлено.

В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны — некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн ?? (хроматическая дисперсия).

Межмодовая (модовая) дисперсия преобладает в многомодовых ОВ. Она обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно.

Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны? одинакова и равна:

(28)

где с — скорость света, км/с.

В этом случае все лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси в пределах апертурного угла ?_а движутся в сердцевине волокна по своим зигзагообразным линиям и при одинаковой скорости распространения достигают приемного конца в разное время, что естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого импульса (рис. 12). Все лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси в пределах 0< ?_п < ?_а достигают приемного устройства с некоторым временным сдвигом, что, естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого импульса.

Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траекторий изменяется — так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а на удаленных, естественно, больше. Следовательно, лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время распространения лучей выравнивается и увеличение длительности импульса становится меньше.

Рис. 12. Распространение излучения по ступенчатому и градиентному многомодовым и одномодовому ОВ Расширение импульса из-за модовой дисперсии характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечение световода на расстоянии l от начала.

Согласно законам геометрической оптики время распространения луча в ступенчатом многомодовом ОВ зависит от угла падения? и, определяется выражением:

(29)

где L — длина световода, км; n₁ — показатель преломления сердцевины ОВ; с — скорость света, км/с.

Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при ?_п =0, а максимальное при ?_п = ?_кр, соответствующие им значения времени распространения можно записать:

(30)

откуда значение межмодовой дисперсии равно:

(31)

где ?_мм — межмодовая дисперсия, пс.

Из последнего выражения следует, что межмодовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна. Однако это справедливо только для идеального волокна, в котором взаимодействие между модами отсутствует. В реальных условиях наличие неоднородностей, кручение и изгиб волокна приводят к постоянным переходам энергии из одних мод в другие, т. е. к взаимодействию мод, в связи с чем дисперсия становится пропорциональной. Эго влияние проявляется не сразу, а после определенного расстояния прохождения световой волны, которое носит название длины установившейся связи мод и принимается равным 5 — 7 км для ступенчатого волокна и 10 — 15 км — для градиентного. Оно установлено эмпирическим путем.

Дисперсионные свойства различных типов ОВ, выпускаемых по рекомендациям ITU-TG.651 и G.652, приведены в табл. 2. В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия и она достигает больших значений (20 — 50 нс/км).

Таблица 2

Модовая дисперсия может быть уменьшена следующими тремя способами:

* использованием ОВ с меньшим диаметром сердцевины, поддерживающей меньшее количество мод. Например, сердцевина диаметром 100 микрон поддерживает меньшее число мод, чем сердцевина в 200 микрон;

* использованием волокна со сглаженным ППП, чтобы световые лучи, прошедшие по более длинным траекториям, имели скорость, превышающую среднюю, и достигали противоположного конца волокна в тот же момент времени, что к лучи, движущиеся по коротким траекториям;

* использованием одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия и дисперсия в целом сказывается существенно меньше. Здесь проявляются волноводная и материальная дисперсии и при длине волны порядка 1,3 мкм происходит их взаимная компенсация ().

Наличием в спектре оптического сигнала более чем одной составляющей на разных длинах волн обуславливает хроматическую дисперсию.

Составляющие хроматической дисперсии в оптическом волокне — волноводная и материальная дисперсия.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому внутримодовая дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления (ППП) ОВ и пропорциональна ширине спектра излучения источника, т. е.

(32)

где — удельная внутримодовая дисперсия.

При отсутствии значений оценка характеризуется выражением:

(33)

где — ширина спектральной линии источника излучения, равная 1 — 3 нм для лазера и 20 — 40 нм для светоизлучающего диода; L — длина линии, км; с — скорость света, км/с.

Наличие этого типа дисперсии позволяет производителям оптических волокон разрабатывать волокна практически с любыми дисперсионными характеристиками.

Материальная дисперсия в ОВ обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны В реальном ОВ распространение волн дисперсионно, т. е. скорость распространения зависит от частоты (длины волны). Различные длины волн (цвета) также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Ранее мы видели, что показатель преломления равен n = c/v.

Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости v в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны.

Рис. 13 Скорости распространения длин волн Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, инжектируемого в волокно (как правило, источник излучает несколько, длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника.

Рис. 14. Удельное значение дисперсии при различных длинах волн:

В (?) — волноводная; М (?) — материальная В области 850 нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн. Волны длиной 860 нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. В области 1550 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300 нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией (рис. 13). Длина стрелок соответствует скорости длин волн; следовательно, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению. Типичная картина удельной волноводной и материальной дисперсии вещества одномодового волокна приведена на рис. 14. На длине волны 1300 нм равна нулю. В области длин волн выше 1300 нм она отрицательна — волны отстают и прибывают позднее. В области менее 1300 нм волны опережают и прибывают раньше.

Как и волноводную дисперсию, модовую дисперсию можно определить через удельную дисперсию по выражению:

. (34)

Величина определяется экспериментальным путем. При разных составах легирующих примесей в ОВ имеет разные значения в зависимости от. Поэтому при инженерных расчетах для определения т можно использовать выражение:

(35)

Для определения можно воспользоваться формулой Селмейера для ПП кварцевогo стекла с использованием метода конечных разностей [19], откуда вычисляют величины

после чего находят

(36)

(37)

а затем

(38)

Хроматическая дисперсия (D) измеряется в пс/нм*км [дифференциальная задержка (пс) /на центральную длину волны источника (нм) * на длину измеряемого участка (км) ].

D > 0: — составляющие сигнала с большей длиной волны распространяются быстрее

D = 0: — в данном диапазоне длин волн составляющие сигнала распространяются с одинаковой скоростью.

Характеристики хроматической дисперсии для различных типов ОВ приведены в табл. 3

Таблица 3

— Обычное волокно («SMF») имеет «несмещенную» характеристику хроматической дисперсии;

— Волокна со смещенной дисперсией имеют длину волны нулевой дисперсии сдвинутой в область 1550 нм (DSF);

— «WDM оптимизированное» волокно — волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF).

Применяя ОВ с различными коэффициентами хроматической дисперсии (D) можно скомпенсировать уровень хроматической дисперсии в ВОЛС (рис. 15)

Рис. 15 (1) Компенсация хроматической дисперсии.

Рис. 15 (2) Компенсация хроматической дисперсии.

Для корректной компенсации хроматическая дисперсия должна быть точно измерена.

Без точного измерения и подстройки наклона дисперсии, дисперсия только одного оптического канала может быть произведена точно Если характеристики наклона дисперсии волокна и компенсирующего модуля не совпадают, то наблюдается отклонение дисперсии отдельных оптических каналов от необходимого уровня.

Поляризационная модовая дисперсия возникает вследствие разной скорости распространения двух взаимоперпендикулярных поляризаций основной моды ОВ. Для оценки этого вида дисперсии используется выражение:

(39)

где К_пмд — коэффициент удельной поляризационной дисперсии.

По определению поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах с нециркулярной (эллиптической) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше.

Поляризационной дисперсии можно дать следующее пояснение. В ООВ распространяется не одна мода, а две фундаментальные моды — две взаимно перпендикулярные поляризации входного сигнала (рис. 16).

В идеальном, т. е. однородном по геометрии, волокне две моды распространяются с одинаковой скоростью. Однако реальные ОВ имеют неидеальные геометрические размеры, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными состояниями поляризации и, как следствие, к появлению поляризационной модовой дисперсии.

Поэтому результирующая дисперсия одномодового волокна должна определяться в соответствии с выражением:

(40)

Рис. 16 Появление дифференциальной групповой задержки между модами двух состояний поляризации В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия достаточно мала и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь.

В многомодовых ОВ волноводная дисперсия мала по величине, поэтому при определении полной дисперсии ею пренебрегают. В таких ОВ со ступенчатым ППП доминирует над, а с градиентным ППП определяющей становится материальная дисперсия. Последнее связано с тем, что в градиентных МОВ уменьшается за счет выравнивания времени распространения различных мод. Исходя из этого в общем виде полная дисперсия в МОВ может быть представлена выражением:

. (41)

В одномодовых ОВ модовая дисперсия отсутствует, так как по таким волокнам распространяется только одна мода НЕ₁₁ или, как отмечалось ранее, две моды в двух разных состояниях поляризации, но с одной дисперсионной зависимостью фазового коэффициента (в приближении линейно-поляризованных мод — LP₀₁ мода в двух взаимоортогональных поляризациях). Другими словами, расширение импульсов в ООВ определяется хроматической дисперсией в пределах этой моды. Тогда полная дисперсия в ООВ может быть представлена в общем виде выражением:

(42)

Сравнивая дисперсионные характеристики различных волокон, можно отметить, что наилучшими показателями обладают одномодовые ОВ, а наиболее сильно дисперсия проявляется в многомодовых ОВ со ступенчатым ППП.

Рис. 17. Индивидуальное влияние на максимальную скорость передачи (при BER = 10^-12) дисперсий: поляризационной модовой (PMD), хроматической (Chr, коэффициент хроматической дисперсии D = 17 пс/(нм*км)) и модовой (Mod, многомодовое волокно 50/125)

1.2 Параметры, измеряемые при строительстве оптоволоконного тракта, сдаче в эксплуатацию, эксплуатации и по окончании ремонтно-восстановительных работ Измерения в ВОЛС можно разделить на две группы:

1. Измерения в процессе строительства

— входной контроль;

— оценка качества строительных работ с целью доведения параметров до установленных

нормативов;

— приемно-сдаточные испытания.

2. Измерения в процессе эксплуатации

— профилактические измерения;

— аварийные измерения;

— входной контроль;

— контрольные измерения после аварийно-восстановительных работ

— непрерывный мониторинг с помощью встроенного в ВОСП контрольно-измерительного оборудования.

Входной контроль производится перед проведением строительных и ремонтных работ, связанных с заменой кабеля и прочих компонентов ВОЛС. В ходе этих измерений контролируется качество строительных длин кабеля и других компонентов. При входном контроле измеряют вносимое затухание и по известной строительной длине по нему рассчитывают коэффициент затухания, измеряют потери в контрольных сварках различных строительных длин между собой и для паспортизации регистрируют рефлектограммы всех ВС строительной длины.

Оценка качества строительных работ включает измерение вносимого затухания всех ВС на смонтированных участках, потерь во всех неразъемных соединениях.

Приемно-сдаточные испытания, контрольные измерения после аварийно-восстановительных работ включают измерение вносимого затухания всех ВС кабельного участка, потерь в стыках, коэффициентов затухания на разных участках, а также паспортизацию кабельного участка по результатам измерений и его рефлектограмме.

Профилактические измерения предназначены для контроля технического состояния оптического кабеля и приемопередатчиков. Состав, объем и периодичность измерений зависит от условий эксплуатации, состояния контролируемых объектов и других факторов.

Аварийные измерения проводятся для определения характера повреждения и расстояния до него.

1.3 Методы измерения волоконно-оптических линий связи В процессе строительства и технической эксплуатации ВОЛС проводится комплекс измерений для определения состояния кабелей, линейных сооружений, качества функционирования аппаратуры линейного тракта, предупреждения повреждений, а также накопления статистических данных с целью разработки мер повышения надежности связи. Параметры и характеристики ОК и аппаратуры ВОСП, измеряемые в условиях их производства, оформляются в виде паспортных данных, которые должны соответствовать действующим нормам ГОСТ и ТУ. Проверка на указанное соответствие выполняется при входном контроле.

На этапе строительства ВОЛС в целях контроля качества строительства и связи измеряют затухание ОВ на строительных длинах и смонтированных участках регенерации; затухание, вносимое соединениями ОВ; уровни мощности оптического излучения на выходных, передающих и входных приемных оптоэлектронных модулях; коэффициент ошибок. При необходимости устанавливают места повреждений.

При наличии в ОК металлических проводников производят измерения и испытания, в соответствии с ТУ на кабель, параметров электрических цепей (измерение электрического сопротивления изоляции металлических элементов и наружной оболочки, изоляции между жилами, жилами и остальными металлическими элементами, металлической оболочкой и броней, броней и водой и т. п) на постоянном или переменном токе повышенным напряжением.

В процессе эксплуатации измерения выполняются для определения технического состояния линейных сооружений и аппаратуры, предупреждения и устранения повреждений. Их разделяют на профилактические, контрольные и аварийные.

Профилактические измерения проводятся по утвержденному плану. Состав, объем и периодичность измерений устанавливаются в зависимости от местных условий, состояния кабеля и т. д.

Контрольные измерения и испытания осуществляют после ремонта для определения качества ремонтно-восстановительных работ.

Аварийные измерения проводятся для определения места и параметра повреждения кабеля.

С внедрением высокоскоростных когерентных ВОСП возникает потребность в измерении параметров, которые в настоящее время не контролируются.

Поскольку характеристики и надежность ВОСП с высокоскоростной модуляцией сильно зависят от спектральных характеристик лазерных диодов, то возникает необходимость контроля качества оптических источников излучения. При этом измеряют ширину спектра, число мод, среднюю длину волны, ширину спектральной линии (для лазеров с распределенной обратной связью и лазеров с внешними резонаторами), длину волны, соответствующую максимуму излучаемой мощности, симметрию, коэффициент подавления боковых мод, стабильность длины волны, так называемый «чирп-эффект» — смещение или размывание спектра при высокоскоростной модуляции. Кроме того, для узкополосных лазеров нужно оценивать эффекты внешних резонаторов и проверять, происходит ли перескок генерации с моды на моду или деление мод. Измеряют импульсные характеристики модулированного сигнала, излучаемого источником: выброс на фронте импульса; время нарастания и спада импульса; коэффициент ослабления; длительность и гладкость импульса. При оценке качества фотоприемников измеряют рабочую полосу частот, чувствительность, уровень шума и темновой ток.

Для когерентных ВОСП наряду с затуханием и дисперсией ОВ важную роль играют поляризационные характеристики волокна. При использовании одномодовых однополяризационных световодов возникает потребность в их измерении. Для пассивных компонентов ВОЛС (ответвителей, аттенюаторов, фильтров, разъемов) приходится контролировать спектральные характеристики и затухание отражения. Последнее имеет большое значение, поскольку РОС лазеры и лазеры Фабри-Перо чувствительны к этому параметру.

Результаты измерений и испытаний, проводимых на этапах строительства и эксплуатации ОК и линейных трактов ВОСП, проверяют на соответствие нормам параметров и характеристик, указанных в ГОСТ и ТУ [19, 20, 22, 23, 24].

Таблица 4. Состав основных измерений и испытаний

1.3.1 Методы измерения затухания Измерение затухания осуществляется на всех стадиях производства оптического кабеля, строительства и эксплуатации ВОЛС. Все методы измерения затухания в оптических волокнах делятся на две группы: методы светопропускания и методы обратного рассеяния. Измеряют коэффициент затухания оптического кабеля, затухание строительных длин, затухание смонтированного участка регенерации, затухание разъемных и сварных соединений ОВ [2,8].

В общем виде затухание сигнала между точками 1 и 2 направляющей системы определяют как:

(43)

где, а — затухание, дБ; Р₁ — мощность сигнала в точке 1, Вт; P₂ — мощность сигнала в точке 2, Вт, или же, как разность уровней:

(44)

где р₁, р₂ — абсолютные уровни сигнала по мощности в точках 1 и 2 соответственно, дБ.

Существуют различные методы измерений затухания ОВ и ОК [2,7]. Классификация этих методов и соответствующая им терминология не являются однозначными.

Ниже приведена классификация, в достаточной мере отражающая суть реальных методов:

* двух точек;

* двух длин («обрывной» метод);

* замещения;