Оптоволоконные системы в телекоммуникациях

Лекция 1.

Введение

Передача сигнала по оптическому волокну Требования к полосе пропускания Оптическое волокно — среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации. Если сопоставить его полосу пропускания и емкость канала связи, считая что 1 бит/с соответствует 1 герцу полосы, то можно прийти к выводу, емкость такого канала близка к бесконечности. Фактически, весь используемый радиочастотный спектр (считаем, что он укладывается в полосу 3 кГц — 200 ГГц) может быть передан по одному волокну.

Оптическое волокно хорошо вписывается в схему цифровой передачи. Например, передача по коаксиальному кабелю и паре проводов требует значительно больше повторителей (регенераторов) на условную единицу длины, чем если бы она велась по оптическому волокну. Это соотношение колеблется от 20:1 до 100:1. В результате, накопленный джиттер (дрожание фазы фронтов импульсов) при передаче по оптоволокну значительно меньше, чем при передаче по медным проводам. Это происходит потому, что накопленный систематический джиттер является функцией числа последовательно включенных повторителей.

При современной технологии емкость волокна (эквивалентная битовой скорости) может достигать 10 Гбит/с в расчете на один битовый поток. Используя при этом технологию волнового мультиплексирования можно пропить по одному волокну не менее 80 таких потоков. Простое умножение дает нам цифру эквивалентной емкости 800 Гбит/с. Значит то же умножение 80, но на 40, дает нам цифру эквивалентной емкости 3,2 Тбит/с на одно волокно. Предположим, что волоконно-оптический кабель (ВОК) имеет 24 волокна, из которых 4 резервных. Тогда оставшиеся 20, позволяют организовать 10 симметричных полнодуплексных (двунаправленных) канала. Таким образом, при емкости 3,2 Тбит/с на волокно, получаем общую емкость ВОК в 32 Тбит/с. Эта емкость могла бы удовлетворить на некоторое время предъявляемые в настоящее время требования по емкости канала связи.

При самой сложной технике кодирования (упаковки) и использовании 18 ГГц несущей в полосе 40 МГц можно передать в настоящее время поток в 655 Мбит/с. Если допустить передачу по 10 таких несущих в одну и в другую стороны, то общая транспортная емкость такой системы будет равна 6 Гбит/ с, что составит всего 1/500 емкости, передаваемой по одному ВОК. При этом, конечно, волоконно-оптическая система передачи (ВОСП), использующая современные методы, не использует аналогичную технику упаковки бит.

В таблице 1 приведено сравнение аналогичных рисунку 2 блоков. В ней приведены блоки, последовательно формирующие указанную выше модель. Это сравнение показывает, что во многих отношениях ВОСП не так уж существенно отличается от проводной (медно-жильной) системы или радиосистемы передачи.

Операции в блоках могут быть аналоговыми или цифровыми. Многие кабельные телевизионные системы используют аналоговый формат, со временем, однако, он все больше меняется на цифровой. Другая форму аналоговых приложений — передача радиосигналов в их естественной форме без использования частотной модуляции.

Возвращаясь к рисунку 2, опишем кратко функцию каждого блока на блок-схеме, двигаясь слева направо. Электрооптический преобразователь (ЭОП) преобразует цифровой электрический сигнал в оптический NRZили RZ-сигнал или сигнал, использующий манчестерский код. Он также устанавливает требуемый уровень постоянного смещения входных импульсов.

Таблица 1 — Сравнение по методу аналогий

В некоторых местах по ходу изложения этот источник назван передатчиком. Существуют два различных источника света, широко используемых сегодня на практике: светоизлучающий диод — СИД (LED) и лазерный диод — ЛД (LD). Оба источника относятся к устройствам со сравнительно низким уровнем выхода, лежащим в диапазоне от -10 дБм до +6 дБм. Они используют модуляцию по интенсивности, которую мы, при первом знакомстве, будем называть модуляцией типа включено-выключено.

Этот источник соединяется с детектором светового сигнала на удаленном конце через одно из оптических волокон в ВОК (другие волокна используются для других целей, в том числе и для резервирования). Оптические волокна внутри кабеля могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми. Физические размеры волокна (диаметр его сердцевины) определяют какого оно типа. Существуют как экономические, так и эксплуатационные соображения, которые могут определять, какой тип волокна нужно использовать для конкретного проекта.

Литература

Осн. 1. [стр. 90−95]

Доп.24. [стр. 30−32].

Контрольные вопросы

1) Что такое оптическое волокно?

2) До скольки может достич эквивалентная битовая скорость волокна?

3) Перспективность волоконно-оптических линии передачи.

Лекция 2. Структурная схема ВОСП Разработка световодных систем и их опытная эксплуатации на железнодорожном транспорте началась в начале 80-х годов. В этих системах связи сигналы, несущие информацию, передают по оптическим световодам. Последние представляют собой тонкие нити специальной конструкции, изготовленные из диэлектрического материала, прозрачного для применяемого излучения (кварцевое или многокомпонентное стекло, полимер, некоторые галоидные соединения). Волоконные световоды из особо чистого кварцевого стекла (ОСЧ-кварцевого стекла) называются оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей.

Перспективность волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) обусловлена большой пропускной способностью волокна, защищенностью от внешних электромагнитных полей, вследствие чего не требуется применять специальные меры по защите от опасных напряжений линий электропередачи и электрифицированных железных дорог; возможность прокладки кабеля между точками с большой разностью потенциалов; высокой помехозащищенностью цифровых линейных трактов; малой металлоемкостью и отсутствием дефицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле; малым значением коэффициента затухания в широкой полосе частот, что обеспечивает большие длины регенерационных участков по сравнению с электрическими кабелями (10—150 км вместо 2—6 км); небольшими размерами кабеля.

Структурная схема ВОЛП показана на рисунке 1. Для работы одной многоканальной системы связи требуются два оптических волокна (ОВ): по одному передаются сигналы в направлении от, А к Б, по другому — в обратном. В оконечных пунктах передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) предназначен для преобразования электрических сигналов в оптические. Приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) предназначен для преобразования оптических сигналов в электрические.

Рисунок 1 — Структурная схема ВОЛП Основными элементами приемопередающих модулей являются источник излучения с длиной волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в оптическом волокне, и приемник излучения. Оба модуля содержат электронные схемы для преобразования электрических сигналов и стабилизации режимов работы и разъемные соединители. Линейный тракт содержит оптический кабель (ОК), в который через примерно равные промежутки включены линейные регенераторы, а в случае использования волнового уплотнения оптических волокон — оптические усилители.

Дальность непосредственной связи по ВОЛП, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств.

Источник оптического излучения. Основным элементом передающего оптоэлектронного модуля является источник оптического излучения. Работа различных источников оптического излучения основана на инверсной заселенности энергетических уровней. Создание инверсной заселенности уровней называется накачкой.

При переходе атома с более высокого энергетического уровня (Е2) на более низкий (Е1) происходит излучение на частоте щ = (Е2 — E1)· h, где h = 1,05 10−34 Дж· с — постоянная Планка. Переходы с верхнего уровня на нижний могут быть спонтанными (самопроизвольными), что характерно для обычных светоизлучающих диодов (светодиодов), а также спонтанными и вынужденными (суперлюминесцентные светоизлучающие диоды) и только вынужденными (лазеры).

Излучение обычных светодиодов является некогерентным и слабонаправленным, ширина спектра излучения составляет (20—40) нм. Суперлюминесцентные светодиоды имеют более высокую яркость и малую излучающую поверхность по сравнению с обычными светодиодами. Длина волны светового излучения зависит от состава полупроводникового материала.

В качестве направленных источников излучения наибольшее применение получили полупроводниковые инжекционные лазеры. Они легко позволяют осуществить внутреннюю модуляцию оптического излучения по интенсивности. Ширина спектра излучения полупроводникового лазера менее 2 нм.

Выбор источника излучения определяется областью применения системы передачи. Светодиоды используют в системах, предназначенных для работы на сравнительно небольшую дальность (примерно 10 км) и скорость передачи до 200 Мбит/ с. Светодиоды обладают лучшей линейностью характеристик, большим сроком службы, более слабой температурной зависимостью излучаемой мощности, чем лазеры. К недостаткам светодиодов следует отнести малую мощность излучения и невысокий к.п.д. согласования с оптическим волокном.

Лазерные источники излучения применяют преимущественно в системах передачи с большой дальностью и высокой скоростью передачи. Они обеспечивают высокий к.п.д. согласования с оптическим волокном.

Приемник оптических сигналов. Основным элементом приемного оптоэлектронного модуля является приемник оптических сигналов. В качестве приемника используют pin-фотодиоды и лавинные фотодиоды. Известно, что в р-п переходе, на который подано обратное смещение, существует зона, в которой нет свободных носителей заряда (обедненная зона). Поглощение фотона в этой зоне сопровождается возникновением пары носителей зарядов — электрона и дырки, которые под действием постоянного электрического поля, созданного внешним источником напряжения смещения, перемещаются к противоположным зажимам фотоприемника, образуя ток во внешней цепи. Этот ток и является сигналом на выходе фотодиода, его значение пропорционально мощности принимаемого светового излучения.

Когда световая мощность очень мала (нановатты), фототоки также малы (наноамперы), и в этом случае для уменьшения влияния шума (тепловые шумы, квантовые шумы) используют внутреннее усиление в фотоприемнике (лавинный фотодиод) за счет эффекта лавинного умножения носителей заряда. Лавинные фотодиоды усиливают первичный фототок прежде, чем на полезный сигнал накладываются шумы. Однако они требуют более высокого напряжения питания и его стабильности.

Модель волоконно-оптической системы передачи Рисунок 2 представляет простую модель ВОСП. Не нужно большого воображения, чтобы увидеть, что ВОСП аналогична некой радиосистеме или беспроводной системе передач.

Рисунок 2 — Упрощенная модель ВОСП ВОК поставляется на катушках (или барабанах), представляющих одну кабельную секцию, которая имеет длину 1, 2, 5 и 10 км. Соединительные оптические разъемы (или коннекторы) используются на концах кабелей (с обоих сторон) для соединения кабеля с указанными источником и детектором. Для длинных линий (ВОСП) может потребоваться несколько таких катушек. Строительные длины соединяются друг с другом путем сращивания. В связи с этим, обычно, рассматриваются два наиболее важных параметра: вносимые потери и возвратные потери. Вносимые потери, вызванные наличием сростка, должны быть меньше 0,1 дБ, тогда как аналогичные потери, вызванные наличием оптического разъема, должны быть меньше 1 дБ. Возвратные потери (или потери на отражение), определяющие уровень согласования импедансов между сростком и кабелем, должны быть не менее 30 дБ.

Приемник, или детектор светового излучения на удаленном конце волоконно-оптической линии, является, по сути, счетчиком фотонов. Большинство ВОСП в настоящее время используют два типа приемников: РIN-диод и лавинный фотодиод (ЛФД). PIN-диод, в целом, проще и менее чувствителен к изменению окружающей среды, так как не имеет внутреннего усиления. ЛФД — более сложен и более чувствителен к изменению окружающей среды, но может обеспечить 10−20 дБ дополнительного усиления. Проектировщик ВОСП выбирает порог приемника, руководствуясь заданным уровнем коэффициента ошибок по битам — BER.

Порог приемника — уровень входной мощности, выраженный отрицательной величиной дБм и зависящий от ряда факторов: типа приемника, в какой-то мере, его конструкции, скорости передачи и, конечно, уровня BER. При проектировании системы нужно стараться, чтобы уровень сигнала на входе приемника не был избыточным. На коротких секциях часто требуется использовать оптический аттенюатор последовательно с приемником, чтобы сместить уровень входного сигнала в желаемый диапазон.

Основной недостаток ВОСП — их незащищенность. Потери при дожде. Широкая полоса используемых частот в радиосистемах и беспроводных системах достигается на частотах выше 10 ГГц, что приводит к уменьшению длины линии передачи, вызванному потерями на поглощение сигнала при дожде; чем выше частота, тем больше ограничений на время доступности (т.е. надежного распространения). Конечно, для проводных систем и ВОСП время доступности от этого не страдает. ЭМС. Этот показатель имеет два аспекта: чувствительность к излучению и генерация излучения. Генерация излучения означает, что система может быть источником электромагнитных помех (RFI). Чувствительность к излучению ясно говорит о незащищенности от электромагнитных помех. Для радиосистем имеет место, как генерация излучения, так и чувствительность к излучению, часто оба явления приводят к проблемам. Проводные системы также чувствительны к электромагнитному излучению. ВОСП — напротив, не излучают и нечувствительны к электромагнитным помехам.

Литература

Осн. 1. [стр. 90−95]

Доп.24. [стр. 30−32].

Контрольные вопросы

1) Структурная схема ВОЛП.

2) Источник оптического излучения.

3) Ширина спектра излучения полупроводникового лазера.

Лекция 3. Конструкция волоконно-оптического кабеля Конструкция и классификация оптических волокон Сердцевина и отражающая оболочка. Оптическое волокно (ОВ) представляет собой нить, состоящую из сердцевины и отражающей оболочки изготовленных из ОСЧ-кварцевого стекла. Еще в процессе вытяжки на него наносится первичное защитное покрытие.

Сердцевина — это область в центре волокна, показатель преломления которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется большая часть энергии светового сигнала.

Оболочка — это область волокна вокруг сердцевины, которая чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким, чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух областей с более высоким и низким показателями преломления создает световодную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сердцевины.

Световодом может быть и более простая конструкция, например, сердцевина из стекла и отражающая оболочка из окружающего воздуха. Подобный световод используется при подсветке струй фонтана, где сердцевиной служит струя воды, а отражающей оболочкой — воздух. Однако световод такой конструкции не может быть использован для передачи сигналов. В нем будут большие потери вследствие загрязнения поверхности стекла пылью и водяным конденсатом, а также световод будет обладать малой пропускной способностью из-за большой величины дисперсии.

Наличие кварцевой отражающей оболочки, имеющей показатель преломления чуть меньше (не более нескольких процентов), чем у сердцевины, приводит к трем последствиям, два из которых положительны:

уменьшает потери световой энергии;

уменьшает дисперсию (уменьшает уширение передаваемых импульсов), и одно отрицательно:

уменьшает долю энергии, захватываемой сердцевиной от светоизлучающих диодов.

Конструкция оптического волокна показана на рисунке 3. С точки зрения передачи сигналов ОВ представляет собой диэлектрический волновод, работающий в оптическом диапазоне волн. Канализация распространения света создается путем скачкообразного или плавного изменения показателя преломления (диэлектрической проницаемости) кварцевого стекла в поперечном сечении волновода. В оптическом диапазоне частот принято употреблять понятие показателя преломления (n) вместо диэлектрической проницаемости, которые количественно связаны между собой соотношением

п = ,

где еr — относительная диэлектрическая проницаемость. Здесь и далее через п обозначается абсолютный (фазовый, в отличие от группового) показатель преломления равный отношению:

. (1)

Рисунок 3 — Конструкция оптического волокна Условия распространения светового импульса по оптическим волокнам определяются законом изменения показателя преломления в поперечном сечении сердцевины, величиной разности показателей преломления в центре сердцевины и отражающей оболочки, а также диаметром сердцевины и толщиной отражающей оболочки.

Для сохранения параметров передачи ОВ при их упаковке в кабель, а также в процессе прокладки и эксплуатации кабеля, оптические волокна необходимо защитить от механических воздействий. Для этого, кроме первичного защитного покрытия, используются также защитные оболочки.

Первичное защитное покрытие и защитные оболочки оптических волокон. Первичное покрытие обычно изготавливается двухслойным. Внутренний мягкий слой демпфирует механическую нагрузку, действующую на волокно, и облегчает снятие первичного покрытия. Наружный твердый слой устойчив к абразивным воздействиям. Показатель преломления материала первичного покрытия берется большим, чем у отражающей оболочки для поглощения в ней нежелательных световых волн, распространяющихся по отражающей оболочке.

В оптическом кабеле волокна требуют дополнительных мер защиты от механических воздействий. Это достигается за счет применения защитных оболочек, скрутки оптических волокон и использования в конструкции кабеля специальных упрочняющих элементов.

Волокна с первичным защитным покрытием могут иметь дополнительные защитные оболочки в виде полимерной модульной трубки, в которой волокна лежат свободно (рисунок 4), модульной ленты (рисунок 5) или защитная оболочка наносится непосредственно на первичное покрытие, так называемая оболочка типа плотный (рисунок 4) или усиленный буфер (рисунок 5).

Рисунок 4 — Волокна лежат свободно Рисунок 5 — Модульные ленты Модульную трубку, заполненную гелем, с одним оптическим волокном называют одноволоконным оптическим модулем (рисунок 3), а с несколькими волокнами — многоволоконным оптическим модулем. Каждое волокно в модуле и сам модуль имеют цветной код для идентификации.

Рисунок 4 — Плотная оболочка Рисунок 5 — Усиленный буфер Вариантом усовершенствования одноволоконного модуля с точки зрения плотности упаковки волокон является ленточная конструкция. Ленточная конструкция позволяет производить одновременную сварку нескольких волокон, что убыстряет процесс монтажа в случае большого числа волокон в ОКС. При ленточной конструкции два или более волоконных световода объединяются в одной плоскости параллельно друг другу с одинаковым шагом в единый многосветоводный модуль. Эти ленточные модули могут быть объединены в стопку с прямоугольным профилем или заключены в пазы профильного сердечника оптического кабеля.

Защитные оболочки типа полимерная модульная трубка или лента применяются в кабелях для наружной прокладки, а типа плотный или усиленный буфер для прокладки внутри помещений.

Литература

Осн. 1. [стр. 90−95]

Доп. 4. [стр. 30−32].

Контрольные вопросы

1) Классификация оптических волоконн.

2) Чем определяются условия распространения светового импульса по оптическим волокнам;

3) Первичное защитное покрытие и защитные оболочки оптических волоконн.

Лекция 4. Классификация волоконно-оптического кабеля Типы оптических волокон Существуют три основных типа оптического волокна (ОВ), отличающихся числом мод и своими физическими свойствами:

одномодовое волокно;

многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления;

многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления.

Обратим внимание на то, что внешний диаметр обоих типов волокон (одномодового и многомодового) одинаков и составляет номинально 125 мкм. Однако существует огромная разница в диаметрах сердцевины: 50 мкм для многомодового волокна и 8,6 — 9,5 мкм для одномодового волокна. На практике существуют и другие значения диаметров многомодового волокна, наиболее используемым из них является 62,5 мкм.

На рисунке 6 показана конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (рисунок 6(a)) и градиентный (рисунок 6(б)) для многомодового волокна. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется резким (в виде ступеньки) изменением показателя преломления (от n1 к n2) на границе раздела, тогда как градиентный — плавным изменением.

Многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя пpeломления является более экономичным по сравнению с градиентным волокном. Для многомодового волокна со ступенчатым профилем показателя преломления коэффициент широкополосности, характеристика, рассмотренная выше, имеет порядок 10—100 МГц· км, при условии, что повторители расположены на расстоянии 10 км, можно передать полосу частот шириной от 1−10 Мгц.

Градиентный профиль показателя преломления делает многомодовое волокно существенно дороже, чем при ступенчатом профиле, однако дает возможность улучшить коэффициент широкополосности. Так, если в качестве источника света используется лазерный диод, то можно довести коэффициент широкополосности до 400−1000 МГц · км. Если же в качестве источника используется СИД, имеющий существенно более широкий спектр излучения, то с тем же градиентным волокном можно рассчитывать на коэффициент широкополосности порядка 300 МГц · км или выше. Принципиальным ограничивающим фактором в этом случае является материальная дисперсия.

Рисунок 6 — Конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (а) и градиентный (б) для многомодового волокна Профили показателя преломления и характер распространения мод для указанных трех типов ОВ на основе кварцевого стекла.

Одномодовое волокно проектируется так, что в нем может распространяться только одна мода. Благодаря этому V < 2,405. В таком волокне нет модовой дисперсии просто потому, что распространяется только одна мода. Типично, мы можем встретить волокно с показателями преломления n1 = 1,48 и п2 = 1,46. Если бы длина волны оптического источника света была 820 нм, то для осуществления одномодовых режимов работы потребовалось бы волокно 2,6 мкм, что, конечно мало для современных систем.

Распространение различных мод по оптоволокну Многомодовое волокно, с его относительно большой сердцевиной, допускает распространение по волокну нескольких или многих мод. Некоторые из этих мод могут распространяться в волокне на небольшие расстояния и потом исчезать; другие — могут распространяться на всю длину волокна. Основная проблема возникает тогда, когда эти моды достигают удаленного приемника. Рассмотрим импульс, прошедший по волокну некоторое расстояние. Этот импульс несет в себе световую энергию нескольких мод. Мода самого низкого порядка достигнет приемника быстрее всего. Остальные моды за счет задержки вносят свой вклад позднее. Прибывший импульс, составленный компонентов, распространяющихся дольше, приводит к уширению прибывшего вначале импульса, составленного из моды самого низкого порядка.

Суть проблемы в том, что каждый из этих импульсов, или его отсутствие, представляет двоичные 1 и 0. Пусть наличие импульса соответствует 1, а его отсутствие — 0. И пусть мы передаем последовательность вида 10. Расшитый за счет дисперсии импульс двоичной 1 займет и соседнюю битовую позицию, которая исходно должна быть двоичным 0. Возникает типичная битовая ошибка. Это упрощенное описание показывает вредное влияние дисперсии, взывающей межсимвольную интерференцию.

Характеристики оптического волокна Оптические характеристики. Как отмечалось ранее, в одномодовом волокне распространяется только одна мода на рабочей длине волны. В этой категории оптического волокна мы имеем следующие типы: стандартное одномодовое волокно, волокно со сдвигом нулевой дисперсии и волокно с малой ненулевой дисперсией. Они зависят от конструкции волокна. При тестировании этих типов волокон, нужно помнить, что источник света (лазерный диод или СИД) не является строго монохроматичным, а его выходное излучение покрывает определенную полосу длин волн. В результате того, что время распространения спектральных компонент различно, происходит уширение импульсов. Степень такого уширения пропорциональна спектральной ширине используемого источника. Близкие к монохроматическим (использующие одну продольную моду) лазерные источники (SLM-лазеры), как правило, это лазеры с распределенной обратной связью, допускают нормальную работу с одномодовым волокном на длинах волн, которые отстоят от длины волны нулевой дисперсии дальше, чем это позволяют делать лазеры, использующие несколько продольных мод (MLM-лазеры).

Механические характеристики. Одним из основных свойств оптического волокна является его прочность. Однако, в процессе изготовления на поверхности волокна появляются микроскопические изъяны, которые заметно ухудшают базовую прочность. Благодаря процессу производства кабеля и укладке волокна в кабель, происходит дальнейшее ухудшение прочности волокна. Ухудшение прочности и обрыв волокна в результате роста изъянов (трещин) на поверхности можно объяснить тремя причинами: динамической усталостью, статической усталостью и старением в отсутствие нагрузки. Многие монтажники ВОК работали раньше на монтаже медных кабелей, которые имеют совершенно отличные механические характеристики. Динамическая усталость возникает при кратковременном приложении значительных растягивающих усилий. Это соответствует типичному сценарию, когда ВОК затягивается на место через кабелепровод или протягивается вдоль направляющих труб/лотков. Статическая усталость, наоборот, приобретается тогда, когда кабель длительное время находится под постоянной нагрузкой. Старение в отсутствие нагрузки относится к такому типу ухудшения прочности, который происходит в условиях отсутствия нагрузки на кабель, но под действием высокой окружающей температуры и влажности.

Литература

Осн. 1. [стр. 90−95]

Доп. 4. [стр. 30−32].

Контрольные вопросы

1)Одноловолоконный оптический модуль.

2) Типы оптических волоконн.

3) Мехмнические характеристики ОВ.

Лекция 5. Распределение света по оптическому волокну Два подхода к объяснению процесса распространения света в оптических волокнах. Исходя из двойственной природы света, процесс распространения светового излучения в световодах можно изучать, используя методы геометрической оптики (лучевой подход) или волновые уравнения электромагнитного поля (электромагнитный подход). Для расчета электромагнитных процессов в световодах используют ряд математических моделей, отличающихся друг от друга сложностью математического аппарата и наглядностью. Лучевой подход основан на представлении источника излучения и светового луча соответственно в виде точки и линии. Лучевой подход наглядно показывает процессы распространения света по световодам, однако им можно пользоваться только при соблюдении условия малости длины волны по сравнению с радиусом сердцевины волокна. Поэтому лучевой моделью можно пользоваться при изучении распространения света в многомодовых волокнах, где указанное условие соблюдается.

В случае одномодовых волокон требуется электромагнитный подход, т. е. решение волновых уравнений при заданных граничных условиях.

При лучевом подходе распространение света по волокну трактуется как различные траектории лучей. При электромагнитном подходе этим лучам соответствуют различные типы волн (моды). Термин мода представляет собой физическое и математическое понятие, связанное с определенным типом электромагнитной волны. Мода оптического волокна, как физическое понятие характеризует тип волны оптического излучения, распространяющегося по ОВ и характеризующегося определенной структурой поля в его поперечном сечении и определенной фазовой скоростью. С математической точки зрения мода — каждое из решений волновых уравнений. В зависимости от размеров и физических характеристик световода в нем возможно распространение нескольких мод или только одной моды. Электромагнитный подход, как более общий, дает ответы на вопросы, которые невозможно получить в рамках лучевого подхода, например, объяснение природы волноводной дисперсии.

Как фактически распространяется свет по ОВ лучше всего объяснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упрощенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Это, например, происходит тогда, когда луч из воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела. Рисунок 7 демонстрирует картину при различных углах падения. Рисунок 7(a) показывает такой угол падения, при котором преломленный луч полностью уходит в свободное пространство. Рисунок 7(б) показывает такой угол падения, который называется критическим, когда преломленный луч начинает скользить по границе раздела. Рисунок 7(b) демонстрирует случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.

Другое свойство ОВ, характерное для определенной длины волны, нормализованная частота V:

(1)

где, а — радиус сердцевины, п2 для ОВ без оболочки = 1, Д = (п1 — п2)/пr

Рисунок 7- Путь лучей для нескольких углов падения, п1 > п2, где п1 и п2 — показатели преломления двух различных сред Член в уравнении называется числовой апертурой (NA). В сущности, числовая апертура используется для того, чтобы описать светособирающую способность волокна. Фактически, количество оптической мощности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NА. Интересно заметить, что числовая апертура ОВ не зависит от его физических размеров.

Литература

Осн. 2. [стр. 90−95]

Доп. 2. [стр. 30−32].

Контрольные вопросы

1) Какие два подхода существуют в процессе распространения света в оптических волокнах?

2) Лучевой подход.

3) Отражение от зеркальной поверхности.

Лекция 6. Лучевой подход распределения света по оптическому волокну Основная его идея заключается в том, что в оптическом диапазоне частот с достаточно большой точностью распространение волн можно представить как движение энергии волн по лучам, описываемым с помощью геометрических соотношений. Анализ распространения света в лучевом приближении составляет предмет геометрической оптики.

Напомним основные законы геометрической оптики:

При отражении от зеркальной поверхности угол падения цi равен углу отражения цr (рисунок 8).

Рисунок 8- Отражение от зеркальной поверхности

2. При распространении луча от одной однородной среды с показателем преломления п1 в другую с показателем преломления п2 на границе раздела сред луч преломляется. Углы падения цi и преломления цs связаны соотношением

sinцi/sinцs = n2/n1 (2).

Если n2> цi. Поэтому увеличивая угол падения цi при цi < 90°, значение которого принято называть предельным углом падения цпр, получим угол преломлениях цs = 90° (преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред). При углах падения цi > цпр имеет место полное внутреннее отражение, когда преломленный луч отсутствует и вся энергия сосредоточена в отраженном луче. На этом явлении и основан процесс удержания света внутри волоконного световода.

Модовая дисперсия. Расчетные соотношения для этого вида дисперсии наглядно и просто получаются при лучевом подходе. Уширение импульса, передаваемого по ОВ, за счет модовой дисперсии в этом случае определяется как разность длин пути лучей, распространяющихся по наикратчайшей и наидлиннейшей траекториям. Лучи света, веденные в ОВ со ступенчатым профилем под углом к оси (рисунок 9), из-за многократных внутренних отражений на границе сердцевина-оболочка проходят более длинный путь по сравнению с лучами, распространяющимися вдоль оси ОВ. Наикратчайшим является путь, проходящий вдоль оси волокна и равный длине линии L, а наидлиннейший — L/соsиmax. Имея в виду, что скорость распространения света в сердцевине v1 = c/n и cosиmox = cos (р/2 — цпр) = sin цпр = n2ln1, можно рассчитать уширение фм на выходе волокна. Начало выходного импульса совпадает с приходом луча, имеющего наиболее короткую траекторию tmin = L/v1, а конец — с приходом луча, имеющего наиболее длинную траекторию

.

Рисунок 9 — Лучи света, введенные в ОВ со ступенчатым профилем

Отсюда уширение импульса

(3)

где (п1 — п2) / п2 = Дn / п2 = Д.

Волновой анализ распространения света в волокне Рассмотрим волновые процессы в идеальном оптическом волокне двухслойной конструкции (см. рисунок 8) без потерь.

В цилиндрической системе координат волновые уравнения для продольных составляющих ЕZ и НZ для сердцевины (r<�а) имеют вид

; (4)

Рисунок 10 — Волновые процессы в идеальном оптическом волокне

; (5)

(6)

поскольку в случае диэлектрических материалов е =, м=м0 и в средах без потерь г2 = — в2 (в — продольный коэффициент распространения волны в оптическом волокне). Фазовая постоянная распространения плоских волн в1 в среде с показателем преломления п1 определяется в случае однородного диэлектрика соотношением

.

где еr1 -относительная диэлектрическая проницаемость сердцевины ОВ; л — длина волны в вакууме; п1 — коэффициент преломления сердцевины волокна ОВ относительно вакуума или показатель преломления сердечника; с — скорость света в вакууме.

Литература

Осн. 2. [стр. 90−95]

Доп. 2. [стр. 30−32].

Контрольные вопросы

1) Волновой анализ распространения света в волокне.

2) Нарисуйте волновые процессы в идельном оптическом волокне.

3)Числовая апертура.

Лекция 7. Оптические разъемы светового излучения Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон используются для соединения секций волокна (кабеля). Волоконно-оптический кабель (ВОК) доставляется производителю работ на катушках с намотанным кабелем длиной 1−25 км. Для систем дальней связи, в отличие от сетей в офисе клиента, катушки состоят из сегментов кабеля (строительных длин), которые должны быть соединены вместе для создания рабочей системы. Для этой цели используются либо оптические разъемы, либо сращивание волокон.

Промышленная практика диктует (в хорошем смысле) использование оптических разъемов на обоих концах кабеля и сращивание для промежуточных секций. Причины такой практики в следующем:

— Сростки дают вносимые потери минимально на уровне 0,04 дБ на один сросток, тогда как оптические разъемы имеют большие вносимые потери. Кроме того, сростки обеспечивают определенное постоянство.

— Это вынуждает использовать оптические разъемы в тех местах, где мы ожидаем несколько или много соединений/разъединений, например, в коммутационных панелях или соединительных кроссах. Многие оптические разъемы сделаны для осуществления легкого сочленения (соединения/разъединения).

Возможность использования оптических разъемов должно рассматриваться там, где волокно стыкуется либо с пассивным, либо с активным устройством. Если мы хотим заменить устройство, то это значительно удобнее сделать при наличии оптического разъема, чем сростка.

На рынке существует большое количество специализированных оптических разъемов. Волоконно-оптические разъемы доступны в двух типоразмерах: разъемы стандартного размера и миниатюрные оптические разъемы. Существуют оптические разъемы, которые могут соединить как одно, так и несколько волокон.

Одни оптические разъемы могут быть спроектированы для соединений в полевых условиях, другие — для соединения в заводских условиях. К последним типам относятся оптические разъемы для соединительных шнуров (пиг-тейлов). Соединительный шнур — короткий по размеру одноволоконный кабель, присоединяемый обычно к устройствам типа: источник света или детектор светового сигнала. Другой конец такого шнура имеет оптический разъем, устанавливаемый производителем устройства. Если соединение производят в полевых условиях, необходимо предусмотреть ответную часть для такого типа разъема, установив ее на конце соединяемого волокна.

Оставшаяся часть материала главы будет сконцентрирована только на оптических разъемах, устанавливаемых в полевых условиях.

Конструкция оптических разъемов — общий случай Оптический разъем состоит из трех основных частей:

Наконечник — ферул.

Соединительная розетка.

Стягивающая гайка.

Вид типичного оптического разъема в сборке приведен на рисунке 11.

Обычно оптический разъем состоит из оболочки, внутри которой расположен керамический наконечник (ферул) с прецизионным продольным концентрическим каналом. Оголенный отрезок волокна вставляется в канал наконечника и удерживается резиной или термоплавким клеем. Выступающий конец волокна затем скалывается и полируется заподлицо (плоское зеркальное полирование). Металлическая оболочка выравнивается и соединяется встык с керамическим наконечником мягкой опрессовкой. Наиболее распространенный внешний диаметр наконечника — 2,5 мм, но в оптических разъемах с малым форм-фактором может использоваться наконечник диаметром 1,25 мм.

Рисунок 11 — Основная структура оптического разъема

по крайней мере, 40 дБ. Другой важный параметр — число сочленений. Оно относится к числу соединений/разъединений, начиная с которого характеристики разъема станут ухудшаться. Это число, как показывает опыт, колеблется от 200 до 600 сочленений.

Оптический разъем типа ST. Этот тип разъема использует быстро сочленяемое байонетное соединение, которое требует повернуть разъем только на четверть оборота для осуществления соединения/разъединения. Встроенный ключ обеспечивает хорошую повторяемость параметров соединения, потому что разъем будет всегда одинаково сочленен с соединительной втулкой. Разъем типа ST в настоящее время заменяется на более прогрессивный разъем типа SC. Уровень вносимых потерь разъема типа ST составляет 0,5 дБ.

Оптический разъем типа SC. Этот тип разъема широко используется как для одномодового, так и для многомодового волокна. Сокращение SC расшифровывается как «оптический разъем пользователя». Оно пришло из используемых ранее пользовательских приложений.

Разъем SC относится к классу разъемов общего пользования и применяется как в сетях с большой длиной секций, так и в сетях с внутриобъектовой прокладкой. Он использует «пушпульный» механизм сочленения. Разъем SC базового типа состоит из сборки (вилки), содержащей наконечник. Эта сборка вставляется в оболочку разъема, центрирующую наконечник. Одно из преимуществ разъема типа SC в том, что он может объединяться в секцию, состоящую из нескольких разъемов. В этом случае секция может использоваться для дуплексного соединения (одно волокно которого используется для передачи в прямом, а другое в обратном направлениях). Разъем имеет ключ, для предотвращения неправильного соединения. Вносимые потери такого разъема составляют 0,4 дБ и ниже.

Оптический разъем типа FC. Этот тип разъема был первоначально разработан в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone Company. Он широко используется для одномодового волокна и имеет уровень вносимых потерь порядка 0,4 дБ.

Разъем типа FC имеет средства для настройки. Ключ настройки позволяет подстроить уровень вносимых потерь до нескольких десятых дБ. После того, как позиция минимальных потерь найдена, ключ может быть зафиксирован. Разъем типа FC выпускается как для одномодового, так и для многомодового волокон.

Оптический разъем типа D4. Этот тип разъема особенно широко используется для одномодового волокна. Он во многих отношениях похож на разъем FC, но имеет наконечник меньшего диаметра — 2,0 мм. Вносимые потери разъема D4 составляют около 0,4 дБ.

Оптический разъем типа 568SC. Этот тип разъема обычно используется для внутриобъектовой прокладки. Его параметры соответствуют стандарту EIA/TIA-568, регламентирующему прокладку кабельных линий связи в коммерческих зданиях. По сути он представляет собой дуплексный вариант разъема типа SC. Разъем типа 568SC имеет механизм защелки, который позволяет осуществить сочленение легче, чем байонетный разъем типа SC. Кроме того, этот разъем имеет адаптер, который допускает использование как симплексного, так и дуплексного разъемов для организации симплексного или дуплексного соединений. Ожидаемый уровень вносимых потерь разъема 568SC составляет порядка 0,3 дБ.

Оптический разъем типа FDDI. Этот тип разъема в принципе спроектирован как двухканальное устройство, использует два керамических наконечника и механизм боковых защелок. Прочный кожух защищает наконечники от случайных повреждений, тогда как плавающий стык обеспечивает ему плотное сочленение без усилий. Различные типы ключей могут быть использованы в этом типе разъема, для того чтобы удовлетворить различным требованиям технологии FDDI. Ожидаемый уровень вносимых потерь составляет порядка 0,3 дБ для одномодовых приложений и порядка 0,5 дБ для многомодовых приложений. Разъемы типа FDDI могут использоваться и для других приложений. Напомним, что FDDI — технология локальных сетей, используемая для пакетной передачи данных со скоростью 100 Мбит/с (125 Мбод) в соответствии со стандартом ANSI.

Миниатюрные разъемы. Миниатюрные разъемы, называемые также разъемами с малым форм-фактором, имеют размеры примерно в два раза меньшие, чем их обычные стандартные варианты (например, SC, FC, ST), т. е. диаметр наконечника составляет 1,25 мм, а не 2,5 мм, что позволяет реализовать большую плотность упаковки на коммутационной панели и плотную схему упаковки на стойке.

Механическое соединение — небольшой участок механически соединенного оптоволокна — сросток длиной 6 см и диаметром 1 см. Этот сросток осуществлен путем точного выравнивания двух концов волокон и их надежного постоянного механического соединения. Сросток закреплен с помощью быстросхватывающего покрытия или клеевой обвязки, или с использованием того и другого. Механические сростки допустимы как для организации постоянного, так и временного соединения. Вносимые потери за счет механического соединения обычно выше, чем сварного соединения, и имеют порядок 0,1 — 0,8 дБ.

Литература

Осн. 2. [стр. 90−95]

Доп. 2. [стр. 30−32].

Контрольные вопросы

1) Какие разъемы используются для соединения секций волокна.

2) Какие бывают волоконно-оптические разъемы?

3) Что такое соединительный шнур?

Лекция 8. Оптические источники света и детекторы светового излучения Выравнивание волокна. Существуют блоки ручного и автоматического выравнивания волокна при сварке. Сначала оператор помещает очищенные и сколотые волокна в блоки выравнивания и/или другие механизмы фиксации волокна в устройстве сращивания. После этого волокна выравниваются визуально путем перемещения их в направлении координат X-Y. Визуальное выравнивание требует поддержания минимального возможного зазора между волокнами, чтобы уменьшить видимые ошибки, которые возможны при ручном выравнивании краев волокон, проводимом при увеличении.

Многие устройства сращивания используют систему локального ввода и обнаружения светового излучения (LID). Это еще одна система выравнивания по уровню мощности, но сформированная на месте сварки. Она исключает необходимость удаленного (на определенное расстояние) мониторинга уровня мощности. В этой системе волокна, расположенные по обе стороны от точки сварки, загибаются вокруг цилиндрических оправок, которые достаточно малы, чтобы позволить осуществить ввод (в точка входа) и вывод (в точке выхода) светового излучения через оболочку волокон.

Процедура сварки. Процесс сварки использует электрическую дугу для разогрева и сваривания. Некоторые техники используют один или несколько коротких включений тока дуги для того, чтобы удалить любые возможные загрязнения из волокна в месте сварки перед началом сварки.

Следующим шагом является предварительная сварка. Этот процесс состоит в нагревании волокна для размягчения его соединяемых концов. Предварительная сварка осуществляется для того, чтобы концы волокна были при температуре, оптимальной в процессе последнего шага сварки, что дает возможность материалу волокон течь навстречу друг друга вплоть до момента физического контакта. Если температура на стадии предварительной сварки слишком велика, то может возникнуть излишняя деформация концов волокон, что в свою очередь приведет к изменению геометрии стекла. Если же эта температура слишком мала, то может возникнуть механическая деформация концов волокон. В этом случае может произойти выпучивание волокна в тот момент, когда на последней стадии сварки на концы волокон будут действовать силы, стягивающие их.

Оптимальная подготовка к сращиванию включает установку тока дуги и ее длительности, установку длины зазора и перекрытия шагов предварительной и окончательной сварки. Эти установки должны быть определены (экспериментально) на основании результатов последовательности сварок.

Качество сварки включает два основных параметра, как это отмечалось выше, а именно: прочность волокна на растяжение и потери, вносимые в месте сварки. Некоторые устройства сращивания имеют возможность осуществлять тесты на растяжение. Опытные техники знают, как осуществить такое испытание вручную, чтобы простыми средствами оценить прочна на растяжение.

Лазерные диоды Если системные требования не так строги, то в качестве источника света обычно выбирается СИД. Лазерные диоды обычно используются для линий связи большой длины или при большой скорости передачи (выше 155 Мбит/с). Существует несколько типов ЛД (все моды, рассмотренные ниже, продольные — LM):

— многомодовые (MLM) или с резонаторами Фабри—Перо;

— одномодовые (SLM);

— одномодовые с распределенной обратной связью (DFB), часто называемые DFB-лазерами;

— DFB-лазеры с внешним модулятором;

— лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL).

Частотно-модулированный импульс (чирп) ЧМ импульс, или чирп, может ограничить характеристики систем передачи на длине волны 1550 нм даже при использовании DFB-лазеров с большим (порядка 40 дБ) значением MSR (коэффициента подавления моды). Как уже отмечалось раньше, модуляция интенсивности (непосредственная модуляция) в полупроводниковых лазерах неизбежно сопровождается фазовой модуляцией (вызванной изменением, за счет индуцируемых носителей, показателя преломления), управляющей коэффициентом уширения спектральной линии. Оптические импульсы со сдвигом фазы, зависящим от времени, называются чирп-импульсами. В результате такого частотного чирпа, наложенного на оптический импульс, его спектр существенно уширяется. Это спектральное уширение влияет на форму импульса в волокне, учитывая дисперсию волокна, и приводит к ухудшению показателя BER в системе.

В системах передачи исключительно важным параметром является время нарастания импульса. Оно определяет предел максимальной скорость передачи. Установление порогового уровня для системы также влияет на ее характеристики. Он должен быть установлен как можно ниже, но так, чтобы не нарушить условия генерации лазера. Это влияет на коэффициент ослабления сигнала, который должен быть максимально большим. Этот коэффициент представляет собой отношение максимальной амплитуды импульса к пороговому уровню.

Оптические приемники

PIN-диод или APD размещены на этом рисунке слева. Большую часть приемника составляют электрические схемы.

Показаны различные компоненты оптоволоконного приемника, где фотодиод (PIN-диод или APD) — только один из них. Предусилитель — другой ключевой элемент, который определяет характеристики приемника в целом. Выход сигнала, принятого фотодиодом, — это точка, где сигнал самый слабый и наиболее подвержен искажениям от действия шума. Этот сигнал является входным для предусилителя. Роль предусилителя — усилить сигнал для дальнейшей его обработки.

Литература

Осн. 2. [стр. 90−95]

Доп. 2. [стр. 30−32].

Контрольные вопросы

1) Из каких основных частей состоит оптический разъем?

2) Основная структура оптического разъема.

3) Оптические приемники.

Лекция 9. Ухудшение передачи света При передаче импульсных сигналов по оптическому волокну их амплитуда уменьшается и искажается форма (они уширяются). Ограничение дальности связи по оптическим кабелям, также как и по металлическим кабелям, обуславливается затуханием и ограничением полосы частот (F) (дисперсией) передаваемого импульсного сигнала (рисунок 12). Затухание приводит к уменьшению амплитуды передаваемого сигнала на выходе оптического волокна, а дисперсия приводит к уширению (размыванию) импульсных сигналов. Зависимость затухания и дисперсии от электрических параметров среды можно получить, рассматривая распространение в ней плоских волн.

Рисунок 12 — Влияние затухания и полосы пропускания световода на форму импульсов:

а — нет потерь и бесконечно большая полоса пропускания; б — имеются потери и ограничена полоса частот Затухание световых сигналов Затухание сигналов. Одним из факторов, ограничивающих дальность оптической связи, является затухание сигналов. Кварцевое стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки для изменения показателя преломления сердцевины или оболочки ОВ, что вызывает потери мощности сигнала на поглощение и рассеяние. Германий и фосфор увеличивают показатель преломления кварцевого стекла, а бор и фтор — наоборот уменьшают его.

Процесс рассеяния сводится к генерации вторичных волн молекулами или частицами под действием падающего на них излучения. Если линейные размеры частицы меньше, чем примерно 1/15 длины волны, то рассеяние называется рэлеевским. Эффект рэлеевского рассеяния проявляется в том, что при распространении световых лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления (в однородной среде от прямолинейного направления). При этом угол падения луча на границу сердцевина-оболочка может стать меньше угла полного внутреннего отражения, и луч выйдет из волокна. По аналогичной причине часть лучей может начать распространяться в обратном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Поэтому при передаче световых сигналов предпочтительно использовать более длинные волны в районе 1,55 мкм.