Листвин А.В., Листвин В.Н. Оптические волокна для линии связи - файл n1.doc

приобрести
Листвин А.В., Листвин В.Н. Оптические волокна для линии связи
скачать (502.4 kb.)
Доступные файлы (5):
n1.doc1364kb.03.09.2002 11:11скачать
n2.doc1132kb.03.09.2002 18:30скачать
n3.doc152kb.29.08.2002 12:14скачать
n5.doc124kb.11.08.2002 20:07скачать
n6.doc131kb.01.09.2002 14:29скачать

n1.doc

1   2   3   4   5

Рис.1.1. Геометрические параметры одномодовых и многомодовых волокон.
Все типы волокон, применяемых в линиях связи, по своим геометрическим параметрам настолько близки друг к другу, что при внешнем осмотре, если нет специальной маркировки, определить какой это тип волокна, практически невозможно. Многомодовые волокна применяются в локальных вычислительных сетях и частично в транспортных сетях на уровне доступа.

Одномодовые волокна применяются в транспортных сетях всех трех уровней: магистральном, уровне распределения и уровне доступа. Типы одномодовых волокон отличаются друг от друга только формой профиля показателя преломления и, соответственно, дисперсионными характеристиками. Существует три основных типа одномодовых волокон: стандартные одномодовые волокна (SM), волокна со смещенной дисперсией (DS) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS). В России DS волокна не используются, а NZDS волокна только начинают применяться.
§ 3. Волокна со смещенной и c несмещенной дисперсией
Волокна с несмещенной дисперсией (стандартные одномодовые волокна). Основным типом волокон, применяемых в линиях связи, являются стандартные одномодовые волокна (ITU-T Rec.G. 652). Для их обозначения используют несколько различных сокращений: NDSF – No Dispersion Shifted Fiber (волокно с несмещенной дисперсией), SF – Standard Fiber (стандартное волокно), SSMF - Standard Single Mode Fiber (стандартное одномодовое волокно). Наиболее распространенное обозначение: SM – Single Mode (одномодовое).

Среди всех типов волокон, уложенных в наземных линиях связи, на долю SM волокон приходится почти 90 %, а их общая протяженность достигает сотни миллионов километров. Это наиболее зрелый (производится с 1983 г.) и наиболее дешевый (~ 60 $/км) тип волокна. В большинстве линий России (а до недавнего времени и в США) используется именно этот тип волокон. За рубежом кроме SM волокон применяются так же волокна со смещенной дисперсией (DS - Dispersion Shifted) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS – Non Zero Dispersion Shifted).

SM волокна имеют наиболее простую (ступенчатую) форму профиля показателя преломления, а длина волны нулевой дисперсии ( = 1310 нм) в них попадает в один из локальных минимумов потерь. Поэтому при работе на  = 1310 нм они обеспечивают не только высокую скорость передачи данных, но и малые потери. Кроме того, среди всех типов одномодовых волокон SM волокна обладают наиболее совершенными геометрическими параметрами и стабильным диаметром модового пятна, что позволяет достигать минимальных потерь в сростках таких волокон (типичное значение 0.02 дБ).

Потери для лучших образцов промышленных волокон в локальном минимуме на длине волны  = 1310 нм составляют 0.31...32 дБ/км. В абсолютном минимуме потерь ( = 1550 нм) потери меньше: 0.18…0.19 дБ/км, а коэффициент дисперсии достигает величины: 17…20 пс/нмкм.

На российском рынке представлены SM волокна большинства ведущих зарубежных компаний, таких как Corning и Lucent (США), Sumitomo, Hitachi, Fujikura и Furukawa (Япония), Pirelli (Италия), Alcatel (Франция). Недавно на рынке появились также SM волокна с улучшенной очисткой от примесей воды (ОН): AllWave (Lucent), SMF-28e (Corning) и SMR (Pirelli).

Волокна со смещенной дисперсией (DS – Dispersion Shifted). В 1985 г. был создан новый тип волокон, в которых длина волны нулевой дисперсии была смещена на  = 1550 нм – в абсолютный минимум потерь в кварцевых волокнах. Длина волны 1550 нм интересна еще и тем, что она лежит примерно в середине полосы усиления эрбиевых оптических усилителей (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifiers). DS волокна используются в основном в магистральных линиях связи Японии, Мексики и частично США. В последние годы производство DS волокон резко уменьшилось, так как из-за большой величины перекрестных помех их применение в системах с уплотнением по длинам волн (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing) ограничено.

Волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS – Non Zero Dispersion Shifted) появились на рынке в 1993 г. К тому времени промышленностью были освоены эрбиевые оптические усилители, что сделало экономически целесообразным применение DWDM систем (рис. 1.2). В этих системах по одному волокну пропускается излучение на многих длинах волн (до 300 длин волн). Оптический усилитель усиливает излучение одновременно на всех этих длинах волн. Пропорционально числу длин волн увеличивается и пропускная способность линии связи.


Рис. 1.2. Принцип работы системы со спектральным уплотнением по длинам волн (DWDM). 1 – мультиплексор, 2 – оптический усилитель мощности, 3 – линейные оптические усилители, 4 – оптический предусилитель, 5 – демультиплексор.
С увеличением числа спектральных каналов (длин волн) в DWDM системе возрастает суммарная мощность излучения передаваемого по волокну, и сильней начинают проявляться нелинейные эффекты. Наиболее вредным является эффект четырехволнового смешения, так как при смешении сигналов, передаваемых на нескольких длинах волн, в волокне возникают паразитные сигналы на новых длинах волн. Некоторые из этих паразитных сигналов попадают в спектральные каналы DWDM системы, что приводит к возникновению перекрестных помех.

Появление сигналов на новых длинах волн можно объяснить тем, что световые волны большой интенсивности создают в волокне бегущие фазовые решетки (бегущие волны показателя преломления). При взаимодействии других световых волн с этими бегущими фазовыми решетками и возникают паразитные сигналы на новых длинах волн. Эффективность этого взаимодействия быстро уменьшается с увеличением дисперсии волокна.

Так, если длина волны нулевой дисперсии волокна попадает между спектральными каналами DWDM системы, то соответствующие этим каналам световые волны распространяются в волокне с одинаковой скоростью и имеют возможность взаимодействовать достаточно длительное время. В NZDS волокнах длина волны нулевой дисперсии лежит вне полосы оптического усилителя, а в полосе оптического усилителя NZDS волокна обладают небольшой (ненулевой) дисперсией, необходимой для подавления перекрестных помех.

Основные типы одномодовых волокон применяемых в линиях связи нормируются международными стандартами ITU-T Rec. G. 652…G. 655:

Специальные типы одномодовых волокон. Кроме этих трех основных типов одномодовых волокон, существует еще несколько специальных типов одномодовых волокон применяемых в волоконно-оптических устройствах:


Раздел II. Оптические потери в одномодовых волокнах
§ 4. Спектр потерь в прямом волокне
Зависимость потерь в кварцевых оптических волокнах от длины волны света представлена на рис. 1.3.. Как видно из этого рисунка, потери ограничиваются: релеевским рассеянием, инфракрасным поглощением и резонансным поглощением ионов ОН («водяные» пики). Кривая носит иллюстративный характер, так как для разных типов волокон и разных производителей величина потерь может различаться. Наиболее сильно могут различаться потери в «водяных» пиках на  = 1290нм и 1383 нм. Так в новых моделях SM волокон: AllWave (Lucent Technologies), SMF-28e (Corning), SMR (Pirelli) – отсутствует пик на  = 1383 нм и снижена чувствительность к воздействию водорода.




Рис. 1.3. Спектр потерь и положение окон прозрачности в кварцевых оптических волокнах.
Релеевское рассеяние уменьшается с увеличением длины волны (~ 1/4), а инфракрасное поглощение, наоборот, увеличивается. Абсолютный минимум потерь приходится на  = 1550 нм. Для лучших образцов промышленных SM волокон потери на этой длине волны составляют 0.18... 0.19 дБ/км.

Однако, как показывают исследования, и эти потери могут быть уменьшены. В окнах прозрачности основной вклад в потери обусловлен релеевским рассеянием, а коэффициент релеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. При снижении температуры вытяжки до 1800о С и скорости вытяжки до 1м/с потери в волокне с легированной GeO2 сердцевиной удалось уменьшить до 0.16 дБ/км на длине волны 1550 нм и до 0.29 дБ/км на длине волны 1310 нм.

Дальнейшее уменьшение потерь может быть получено в волокнах с депрессированной оболочкой. В них потери из-за релеевского рассеяния уменьшаются, так как снижается степень легирования сердцевины. Кроме того, уменьшаются и потери, возникающие из-за дефектов, появляющихся при вытяжке волокна, так как сердцевина и оболочка в таком волокне лучше согласованы по вязкости.

В последних разработках SM волокон за счет улучшения технологии очистки от водяных паров удалось снизить потери в “водяном” пике (ОН) на  = 1383  3 нм. Волокна типа LWPF (low water peak fiber) производятся несколькими компаниями: AllWave Lucent Technologies (теперь это OFS), SMF-28e (Corning), SMR (Pirelli). Потери в водяном пике уменьшены до величины 0.31 дБ/км, что меньше чем потери во втором окне прозрачности на  = 1310 нм (0.35 дБ/км).

Согласно сообщению на международной конференции FOC 2002, компании Sumitomo удалось установить новый рекорд в достижении минимальных потерь в одномодовом волокне: 0.151 дБ/км на  = 1568 нм. Предыдущий рекорд 0.154 дБ/км был установлен ещё в 1986 г. и рассматривался как практический предел. Сердцевина волокна была из чистого кварца, а оболочка была легирована фтором. Потери складывались следующим образом: релеевское рассеяние 0.128 дб/км, инфракрасное поглощение 0.014 дБ/км, примеси ОН 0.004дБ/км и несовершенства волокна 0.004 дБ/км. Потери в диапазоне 1520…1606 нм не превышали 0.160 дБ/км. Такое волокно позволяет увеличить расстояние между ретрансляторами на 30 % по сравнению с волокном, сердцевина которого легирована германием.
§ 5. Окна прозрачности
Как видно из рис. 1.3, для передачи оптических сигналов может быть использован широкий участок спектра, где потери в волокнах достаточно малы. Его принято разбивать на более узкие участки - рабочие диапазоны, или окна прозрачности. Первоначально под окнами прозрачности понимались участки длин волн вблизи узких локальных минимумов в зависимости потерь от длины волны: 850 нм (1-ое), 1310 нм (2-ое), 1550 нм (3-е). Постепенно с развитием технологии очистки кварцевого стекла стала доступна вся область малых потерь от 1260 нм до 1675 нм. Кривая потерь теперь выглядит достаточно гладкой, и локальные минимумы на ней слабо выражены.

Первое окно прозрачности использовалось в 70-х годах в первых линиях связи на многомодовых волокнах. Тогда полупроводниковые источники излучения выпускались промышленностью только на длину волны 850 нм (GaAs). В настоящее время, из-за большой величины потерь в волокнах, этот диапазон используется в основном в локальных вычислительных сетях.

Второе окно прозрачности (О) стало использоваться в 80-х годах в линиях дальней связи, после того как на базе тройных и четверных гетероструктур были разработаны источники излучения на длину волны 1310 нм. В это окно попадает и длина волны нулевой дисперсии SM волокон. В настоящее время второе окно прозрачности используется преимущественно в городских и зоновых линиях.

Третье окно прозрачности (С) было освоено в начале 90-х годов. В него попадают одновременно полоса усиления EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier (вволоконный усилитель легированный эрбием) и абсолютный минимум поглощения в кварцевом волокне. Так как SM волокна обладают в третьем окне прозрачности большой дисперсией, то было разработано DS волокно с длиной волны нулевой дисперсии, смещенной в это окно. Третье окно наиболее широко используется в магистральных линиях (Ростелекомом и другими крупными операторами связи).

В последнее время с развитием систем c мультиплексированием каналов по длинам волн (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing) третье и прилегающие к нему четвертое и пятое окна прозрачности вызывают повышенный интерес. Так специально для применения в системах DWDM были созданы несколько типов NZDS волокон, обладающих в этих окнах ненулевой дисперсией. В зарубежной литературе диапазоны длин волн соответствующие этим трем окнам получили специальные наименования: третье окно – (С) стандартный диапазон (сonventional band), четвертое окно– (L) длинноволновый диапазон (Long band), а пятое окно - (S) коротковолновый диапазон (short band).

Четвертое окно прозрачности (L) позволяет передвинуть длинноволновую границу DWDM систем на 1620 нм. Для работы одновременно в 3 и 4 окнах прозрачности используются оптические усилители с увеличенной шириной полосы частот и NZDS волокна с малым углом наклона дисперсионных кривых.

Пятое окно прозрачности (S) появилось после создания волокна AllWave. В этом волокне в результате тщательной очистки его от посторонних включений потери в “водяном” пике на длине волны 1390 нм были снижены до 0.31 дБ/км, что меньше чем во втором окне прозрачности на длине волны 1310 нм (0.35 дБ/км). Пятое окно прозрачности завершило освоение спектральной области малых потерь в волокне простирающейся от 1280 нм до 1650 нм.

Согласно информации, полученной из EXFO (Канада), международный союз телекоммуникаций (ITU) утвердил новые спектральные диапазоны в интервале длин волн 1260….1675 нм (таблица № 1.1). Официальная публикация ожидается после согласования с рекомендациями на оптические компоненты (G. 671) и технологию DWDM (G. 692).
Таблица № 1.1. Спектральные диапазоны для одномодовых волокон



О – диапазон


1260…1360 нм


Основной (Original)


E – диапазон


1360…1460 нм


Расширенный (Extended)


S – диапазон


1460…1530 нм


Коротковолновый (Short wavelength)


C – диапазон


1530…1565 нм


Стандартный (Conventional)


L – диапазон


1565…1625 нм


Длинноволновый (Long wavelength)


U – диапазон


1625…1675 нм


Сверхдлинный (Ultra-long wavelength)



§ 6. Механизмы возникновения потерь при изгибе волокна
Зависимость потерь от диаметра петельки (одиночной) в SM волокне, измеренная на  = 1300 нм, приведена на рис. 1.4. При больших значениях диаметров петельки, потери не зависят от её диаметра. Однако когда диаметр петельки уменьшается до критического значения (10…20 мм), потери начинают быстро увеличиваться (по экспоненциальному закону). Так при намотке нескольких витков SM волокна на карандаш или шариковую ручку потери могут увеличиться на 20…40 дБ.




Потери при изгибании волокна возникают по двум причинам. Во-первых, потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна. Обусловлены они тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некую величину d, зависящую от радиуса изгиба волокна (рис. 1.5). В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными друг относительно друга также на величину d. Поэтому только часть мощности моды “прямого” волокна (диаметром w) передается моде изогнутого волокна, а остальная же мощность преобразуется в оболочечные моды и, в конечном счете, теряется.


Рис. 1.5. Схема, поясняющая причину возникновения потерь в месте соединения прямого и изогнутого волокна.

а) В изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некую величину d

б) В месте соединения “прямого” и изогнутого волокна их модовые пятна смещены друг относительно друга на величину d.
Во-вторых, мощность теряется и непосредственно в изогнутом волокне. Происходит это из-за того, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью больше скорости света в среде (в оболочке). Эта часть моды излучается в оболочку волокна и, в конечном счете, теряется (рис. 1.6). Величина этих потерь тем больше, чем больше число витков волокна, и чем меньше радиус изгиба волокна.



Таким образом, потери в изогнутом волокне возникают из-за двух различных механизмов. В первом случае потери зависят только от радиуса изгиба волокна и не зависят от числа витков. А во втором случае они зависят и от радиуса изгиба и от числа витков.
§ 7. Спектр потерь в изогнутом волокне
Спектры потерь в изогнутых и “прямых” волокнах могут существенно различаются. В “прямых” волокнах потери ограничиваются в основном релеевским рассеянием и уменьшаются с увеличением длины волны ~ 1/4, например, на  = 1550 нм потери всегда меньше чем на  = 1310 нм. В то же время в изогнутых волокнах потери могут, наоборот, увеличиваться с увеличением длины волны.

Пример зависимости потерь от длины волны в SM волокне, два витка которого намотаны на цилиндрическую оправку диаметром 23 мм, приведен на рис. 1.7. Из рисунка видно, что в изогнутом волокне потери увеличиваются с увеличением длины волны. Объясняется это тем, что при этом увеличивается диаметр моды и все большая часть мощности моды излучается в оболочку волокна. Этот факт используется в рефлектометрии для поиска мест изгиба волокон.



Диаметр моды и, соответственно, относительные мощности распространяющиеся в сердцевине и оболочке волокна зависят не только от длины волны излучения (), но и от радиуса сердцевины (a) и разности показателей преломления между сердцевиной и кварцевой оболочкой (n1 - n2). Из этих параметров можно образовать безразмерную комбинацию, часто используемую при расчетах и называемую параметром волокна V:
V = k a NA = (2/) а (n21 - n22)1/2, (1.1)
где k = (2/) – волновое число (в вакууме), а – радиус сердцевины, NA = (n21 - n22)1/2 – числовая апертура.

Параметр волокна V однозначно характеризует относительные мощности, распространяющиеся в сердцевине и в оболочке волокна (рис. 1.8). Как видно из этого рисунка, при V < 1 практически вся мощность первой моды сосредоточена в оболочке и, соответственно, при изгибе волокон с таким малым параметром V потери излучения будут большими.

Характерно также, что кривая относительной мощности для первой моды не обрывается при V  0. Это означает, что теоретически в волокне может распространяться излучение со сколь угодно большой длиной волны (т.е. основная мода волокна не имеет отсечки). Однако, так как при V  0 основная часть мощности распространяется вне сердцевины, то потери на изгибах в таких волокнах велики.




При V > 1 доля мощности основной моды, распространяющейся в оболочке, быстро уменьшается с ростом V, и при V = 2.4 она составляет величину порядка 0.1. Соответственно с увеличением параметра V уменьшаются и потери при изгибе волокна. Дальнейшее увеличение параметра V нецелесообразно, так как при V > 2.4 в волокне уже может распространяться вторая мода.


§ 8. Эффективная длина волны отсечки
Минимальная длина волны, при которой в волокне распространяется только одна мода, называется длиной волны отсечки. При заданных значениях числовой апертуры и радиуса сердцевины её можно рассчитать, исходя из условия V = 2.4. Однако на практике используется не расчетное значение длины волны отсечки, а её эффективное значение, которое находится экспериментально по методике, определяемой стандартом ITU - T, G. 650.

Эта методика основана на том, что вторую моду можно отсечь, изогнув волокно. В середине прямого отрезка волокна длиной 2 м делается петля диаметром 28 см и измеряется зависимость интенсивности прошедшего через волокно излучения от длины волны. Вблизи длины волны отсечки интенсивность прошедшего излучения уменьшается (примерно в три раза) по сравнению с её значением в отсутствие петли из волокна.

Таким образом, получается, что если волокно “прямое” (петля отсутствует), то в нем распространяются две моды. Соответственно, при этом параметр волокна V > 2.4, а эффективная длина волны отсечки меньше её теоретического значения, получаемого из условия V = 2.4.

В отличие от “теоретической” эффективная длина волны отсечки зависит от длины волокна и наличия в нем изгибных деформаций. После укладки волокна в оптический кабель изгибных деформаций в волокне становится больше. Поэтому максимально возможная длина волны отсечки в кабеле всегда меньше максимально возможной длины волны отсечки в волокне.

Оценим длину волны отсечки в SM волокне исходя из условия V = 2.4. Полагая (согласно спецификации) в выражении для параметра волокна (V = (2/) a NA) диаметр сердцевины 2а равным 8.3 мкм, а числовую апертуру NA равной 0.12, получаем: V  /от. Далее используя условие V = 2.4 находим “теоретическое” значение длины волны отсечки от = 1310 нм.

Чем ближе рабочая длина волны к длине волны отсечки, тем лучше волокно “ведет” свет и тем меньше величина дополнительных потерь, возникающих при изгибах такого волокна. Гистограммы распределения эффективной длины волны отсечки в волокнах компании Hitachi и длины волны излучения лазерного диода приведены рис. 1.9.

Рис. 1.9. Гистограммы длины волны отсечки для волокна Hitachi и длины волны излучения ФП лазера (Фабри-Перо).
Из гистограмм видно, что почти в половине случаев длина волны излучения оказывается меньше эффективной длины волны отсечки в волокне, т.е. волокно в этом случае уже не будет одномодовым. Однако волокно, уложенное в кабель, испытывает достаточно много изгибов (в частности из-за повива), и в нем эффективная длина волны отсечки уменьшается так, что вторая мода практически полностью отсекается. Проблемы возникают только при работе с короткими отрезками волокон (например, с пачкордами). В них при прецизионных измерениях потерь приходится создавать петельки для отсечки второй моды.
§ 9. Потери из-за разности диаметров модовых пятен
Распределение интенсивности первой моды волокна в поперечном сечении хорошо описывается функцией Гаусса: I(r) = I0 exp(- 8 r2 / w2), где w - диаметр модового пятна. Таким образом, расчет потерь в месте соединения волокон сводится к хорошо известной задаче об эффективности согласования двух гауссовых пучков (в месте их перетяжки, где фазовый фронт у них плоский). Эти потери возникают из-за не параллельности этих пучков и смещения их друг относительно друга в поперечном направлении, а так же и из-за неравенства диаметров этих пучков и их эллиптичности.

Отраженной мощностью мы пренебрегаем, так как предполагаем, что в месте соединения создается хороший оптический контакт. Непараллельность и эллиптичность пучков, как правило, мала и остаются две основные причины возникновения потерь при соединении волокон: неравенство диаметров пучков (диаметров модовых пятен) и их поперечное смещение друг относительно друга.

Диаметр модового пятна w однозначно определяется величиной параметра волокна V (рис. 1.10).




Как следует из сравнения зависимостей, приведенных на рис. 1.10, при V < 2.5 для оценки радиуса модового пятна удобно использовать приближенные формулы:
w = 0.83 /NA, (1.2)

w = 7  (при NA = 0.118). (1.3)
Отсюда видно, что в первом приближении радиус модового пятна не зависит от радиуса сердцевины и определяется отношением длины волны излучения к числовой апертуре волокна. Учитывая, что в SM волокнах числовая апертура NA  0.12, получаем оценку для диаметров модовых пятен: w = 9.2 мкм ( = 1.31 мкм) и w = 10.8 мкм ( = 1.55 мкм), что совпадает (в пределах допуска) со значениями, приведенными в спецификациях на SM волокна.

Зависимость потерь в месте соединения волокон от относительной разности диаметров модовых их пятен изображена на рис. 1.11.




По международному стандарту ITU-T G. 652 относительное отклонение диаметров модовых пятен SM волокон не должно превышать 10 %. Как видно из сравнения зависимостей, приведенных рис. 1.22, при w/w < 0.1 потери в месте соединения волокон хорошо описываются приближенной формулой:
(дБ) = 4.34 (w/w)2. (1.4)
При w/w < 10 % получаем, что (дБ) < 0.05 дБ.

Характерно, потери в месте соединения волокон пропорциональны квадрату разности диаметров модовых пятен и, следовательно, не зависят знака этой разности, как и должно, быть, так как величина этих потерь не зависит от направления распространения света. Учитывая, что среднее значение диаметра модового пятна в SM волокна на  = 1550 нм равно 10.4 мкм, (1.4) можно привести к ещё более удобному для оценок виду:
w (дБ) = 0.04 w2, (1.5)
где w – разность диаметров модовых пятен, измеряемая в микронах.


§ 10. Потери из-за смещения сердцевин волокон
При юстировке волокон по кварцевой оболочке основной вклад в общие потери дает компонента, возникающая из-за смещения d сердцевин волокон друг относительно друга:

d (дБ) = 4.34 (d/w)2. (1.6)
Смещение сердцевин соединяемых волокон при их юстировке по оболочке возникает в основном из-за эксцентриситета сердцевин соединяемых волокон. В волокнах, производимых компаниями Corning и Hitachi, эксцентриситет сердцевин составляет  0.5 мкм. Соответственно, из-за эксцентриситета сердцевин диаметры модовых пятен свариваемых волокон в самом худшем случае могут быть смещены друг относительно друга на 1 мкм. Потери при этом составят величину 0.05 дБ.

Допуск на диаметр волокон определяет величину смещения сердцевин волокон друг относительно друга при соединении их с помощью адаптеров и механических соединителей, и влияет на точность, с которой удается скорректировать эксцентриситет свариваемых волокон.

Собственный изгиб волокна влияет на величину потерь при одновременной сварке нескольких пар волокон. Если радиус этого изгиба мал, то не удается одинаково хорошо сьюстировать все пары соединяемых волокон. У большинства фирм-изготовителей радиус кривизны собственного изгиба волокна не превышает 4 м.

Раздел III. Измерение потерь в волоконно оптических линиях связи
§ 11. Распределение потерь в линии связи
Измерения потерь проводятся для оценки качества ВОЛС. В большинстве случаев потери излучения (а не дисперсия) являются основным фактором, ограничивающим длину ретрансляционного участка линии связи. В настоящее время разработана и широко используется измерительная аппаратура, позволяющая не только определять с высокой точностью величину полных потерь в линии (мультиметры), но и распределение потерь вдоль линии (оптические рефлектометры). Однако эти измерения, а также их интерпретация, обладают определенной спецификой, свойственной волоконно-оптической технике, и требуют специального рассмотрения.
Полные потери , вносимые линией связи длиной L, складываются из потерь в строительных длинах оптического кабеля N qв Lст, потерь в сварных соединениях волокон св и потерь в разъемных соединениях пигтейлов на концах линии р .
(дБ) = qв L + (N +1) св + 2 р, (1.7)
где qв – погонные потери в волокне (дБ/км), N = L/Lст – число строительных длин оптических кабелей уложенных в линию, N + 1 – число сварных соединений волокон в линии, Lст – строительная длина оптического кабеля (рис. 1.12).


Рис. 1. 12. Схема распределения потерь в ретрансляционном участке линии.
Наиболее высокие требования предъявляются к величине потерь в оптическом кабеле и сварных соединений волокон (на одну строительную длину кабеля приходится примерно одно сварное соединение). Требования к величине потерь в разъемных соединениях в пигтейлов менее жесткие (их надо сравнивать с полными потерями в линии). Потери, которые иногда возникают в местах изгибов волокон в пигтейлах, учитывать не будем.

Оценим величину полных потерь в ретрансляционном участке линии длиной L = 80 км (типичное значение для магистральной линии без оптических усилителей). Будем исходить из того, что строительная длина оптического кабеля равна Lст = 5 км, а величина потерь не в сварных соединениях не превышает св = 0.05 дБ (требования Ростелекома). Основные потери в линии возникают из-за потерь в волокне, их мы положим равными q = 0.2 дБ/км на  = 1550 нм и q = 0.33 дБ/км на  = 1310 нм (типичные значения). Потери в разъёмных соединениях положим равными среднему значению потерь в некалиброванных разъёмах (р = 0.3 дБ). Результаты оценок приведены в таблице № 1.2.
Таблица № 1.2. Распределение потерь (номинальных) в линии связи.


Рабочая длина волны

Потери в оптическом кабеле

Потери в сварных соединениях

Потери в разъёмных соединениях

Полные потери, вносимые линией

1550 нм


0.280 = 16 дБ

0.0517 = 0.85 дБ

0.32 = 0.6 дБ

17.45 дБ

1310 нм


0.3380 = 26.4 дБ

0.0517 = 0.85 дБ

0.32 = 0.6 дБ

27.85 дБ

При использовании высококачественного оборудования и соблюдения технологии монтажа полные потери в линии получаются близкими к их номинальному значению. Если есть уверенность, что эти условия соблюдены, то можно ограничиться только измерением полных потерь в линии с помощью мультиметра. Мультиметр значительно более простой прибор, чем рефлектометр, и измерения полных потерь в линии с его помощью требуют значительно меньше времени, чем измерения распределения потерь в линии с помощью рефлектометра. Такой подход используется для того, чтобы уменьшить время монтажа линии. Однако в тех случаях, когда нет уверенности в том, что все технологические условия соблюдены, необходимо измерять распределение потерь вдоль линии связи.
§ 12. Потери в сварных соединениях волокон
Сварка SM волокон производится с помощью автоматизированных сварочных аппаратов, осуществляющих не только сварку волокон, но и оценку величины потерь в месте соединения волокон. Юстировка и оценка величины потерь в месте соединения волокон производится по смещению сердцевин волокон, что позволяет создавать сварные соединения со средними потерями порядка 0.02 дБ. Эта величина сравнима с точностью измерения потерь в сварных соединениях (~ 0.01 дБ) как с помощью рефлектометров, так и с помощью мультиметров. Т.е. можно полагать, что в лабораторных условиях SM волокна свариваются практически без потерь.

Столь малые потери в сварных соединениях SM волокон достигаются при условии выполнения целого ряда технологических требований: прецизионной настройки режимов сварочного аппарата, использования высококачественного скалывателя (среднее значение угла скалывания торца волокна 0.5о) и тщательной очистки поверхности свариваемых волокон. Однако при работе в поле не всегда удается соблюсти все эти технологические требования, что приводит к возникновению различного рода нарушений качества сварного соединения. На рис. 1.13 приведены типичные искажения сварных соединений примерно так, как они видны на экране сварочного аппарата.


Рис. 1.13. Примерный вид дефектов сварных соединений волокон на экране автоматизированного сварочного аппарата.
Как уже говорилось, на экран автоматизированных сварочных аппаратов выводится не только изображение волокон, но и оценка величины потерь в сварном соединении. В большинстве аппаратов она рассчитывается по величине смещения сердцевин свариваемых волокон. Однако такая оценка не учитывает (как видно из рис. 1.13) несовершенства сварного соединения приводящих к появлению избыточных потерь. Кроме того, так как в общем случае диаметры модовых пятен свариваемых волокон не равны друг другу, то избыточные потери возникают и при высоком качестве соединения волокон.

Эти потери (w(дБ) = 4.34 (w/w)2 (1.4)) пропорциональны квадрату относительной разности диаметров модовых пятен свариваемых волокон. По международному стандарту G.652 относительные вариации диаметра модовых не превышают 10 %. Полагая w/w = 0.1, получаем w(дБ) = 0.043 дБ. Хотя эта величина и меньше 0.05 дБ (требования Ростелекома), однако нет гарантии что вариация диаметра волокна на практике не превысит 10 %. Поэтому окончательный вывод о качестве сварного соединения волокон может быть сделан только после того, как будут проведены прямые измерения потерь в этом соединении.

Наименьших потерь в сварных соединениях волокон удается добиться при юстировке по сердцевине волокон с коррекцией эксцентриситета. В этом случае потери возникают в основном из-за неравенства диаметров модовых пятен свариваемых волокон. Допуск на диаметр модовых пятен у большинства ведущих компаний производителей на  = 1310 нм составляет  0.5 мкм. Соответственно, в самом худшем случае диаметры модовых пятен свариваемых волокон могут различаться на 1 мкм. Потери при этом составят величину 0.04 дБ. Компании Corning и Hitachi уменьшили этот допуск до  0.4 мкм и, соответственно, снизили эти потери до 0.025 дБ.

Допуск на диаметр модовых пятен  0.5 мкм соответствует международному стандарту ITU-T G. 652, согласно которому он не должен превышать 10 %. Это означает, что максимальная разница диаметров модовых пятен у волокон разных производителей не превышает 10 %, и, соответственно, возникающие из-за этого потери не превышают 0.04 дБ.

Однако в оптический кабель, как правило, укладываются волокна какой-то одной производящей компании. При соединении строительных длин таких кабелей максимальная разница диаметров модовых пятен получается значительно меньше. Так, например, для волокон компании Hitachi относительная флуктуация диаметра модовых пятен составляет величину всего лишь порядка 1 % (рис. 1.14), а возникающие из-за этого потери не превышают 0.004 дБ.




На практике средняя величина потерь при сварке волокон одной производящей компании составляет < 0.05 дБ и определяется совокупностью факторов: таких как плохой скол, грязь на торцевой или боковой поверхности волокон, эллиптичность и флуктуации диаметра оболочки, погрешности в настройке режима сварочного аппарата и т.д.


§ 13. Потери в разъёмных соединениях волокон
Торцевые поверхности одномодовых волокон в оптических разъёмах имеют сферическую форму с радиусом закругления 10…25 мм для PC разъёмов (PC – Physical Contact) и 5…12 мм для APC- разъемов (APC – Angled Physical Contact). В соединенном состоянии торцы стыкуемых наконечников прижимаются друг к другу с определенным усилием (обычно 8…12 Н). Возникающая при этом эластичная деформация наконечников приводит к появлению оптического контакта (рис. 1.15).



Рис. 1.15. Схема образования оптического контакта в месте соединения наконечников разъемов РС и АРС.
Две поверхности считаются находящимися в оптическом контакте, если расстояние между ними много меньше длины волны света. При этом, чем меньше расстояние между этими поверхностями, тем меньше будет и величина отраженного от них света. Качество оптического контакта определяется качеством шлифовки и последующей полировки торцевой поверхности волокон. Для PC разъёмов ETSI рекомендует величину коэффициента френелевского отражения от места оптического контакта менее – 35 дБ. Стандартная шлифовка, как правило, обеспечивает – 40 дБ.

Многие поставщики оптических коммутационных шнуров предлагают разъёмы со специальной шлифовкой, обеспечивающие коэффициент отражения менее – 55 дБ. Это так называемые разъёмы Супер- и Ультра-РС. На практике такая шлифовка оказывается бесполезной, так как буквально после нескольких подключений коэффициент отражения увеличивается до величины свойственной обычному РС разъёму. Происходит это из-за неизбежного появления пыли и микроцарапин на торцевых поверхностях разъёмов.

Поэтому, когда требуется коэффициент отражения не хуже – 55 дБ, разумнее использовать АРС разъемы. В АРС разъёмах нормаль к контактной поверхности наклонена к оси наконечника под углом 8о (рис. 1.15). В такой конструкции коэффициент отражения не превышает – 60 дБ как в соединенном, так и в разъединенном состоянии. В соединенном состоянии типичным является значение от – 70 до – 80 дБ.

Таким образом, в РС и АРС разъёмах только ничтожно малая часть излучения отражается от места соединения торцов волокон. Поэтому потери, вызванные отражением света, пренебрежимо малы. Если пренебречь так же потерями, возникающими из-за дефектов на торцах волокон, то основной причиной вызывающей потери в месте соединения разъемов является смещение сердцевин соединяемых волокон относительно друг друга вследствие эксцентриситета (неконцентричности) как самих волокон, так и деталей крепления разъёма (рис. 1.16).




Рис. 1.16. Сложение разных видов неконцентричности в наконечнике.
Оценим допустимую величину смещения сердцевин волокон исходя из того, что потери в разъемах, в соответствии рекомендациями ETSI, не должны превышать 0.5 дБ. Зависимость этих потерь от величины смещения сердцевин d описывается формулой (1.6): d (дБ) = 4.34 (d/w)2. Учитывая, что диаметр модового поля w  10 мкм, получаем, что величина смещения сердцевин друг относительно друга должна быть меньше 3.4 мкм.

Потери принято относить к одному определенному разъёму (несмотря на то, измеряемой величиной являются потери в месте соединения двух разъемов). Так можно делать, когда потери в месте соединения разъемов обусловлены только смещением сердцевин волокон, и один разъём при этом образцовый (его также называют материнским или мастер-разъёмом). Образцовый разъем А выделен среди других разъёмов тем, что в нем ось сердцевины волокна совпадает с номинальным центром разъёма (рис. 1.17).



Рис. 1.17. Местоположение сердцевины волокна в наконечниках: (а) - в типовом (некалиброванном) разъёме и (б) - в образцовом разъеме А.
Все измерения при изготовлении оптических шнуров выполняются только относительно образцового разъёма. Данные именно этих измерений и указываются в каталогах всех производителей, а также на упаковке готовых изделий. Но при использовании оптических шнуров типовой разъём стыкуется не с образцовым разъёмом, а с таким же типовым разъемом (любой с любым). В таких соединениях смещения сердцевин получаются больше почти в 1.5 раза, а потери (в дБ) увеличиваются при этом примерно в 2 раза (рис. 1.18).



Рис. 1.18. Гистограмма распределения потерь вносимых при соединении типовых (некалиброванных) разъемов (любого с любым).
Для компенсации негативного влияния эксцентриситета применяются различные способы регулировки (настройки) разъемов. Наибольшее распространение получила технология, в которой используется образцовый разъём Б (со смещенной сердцевиной волокна). В образцовом разъёме Б сердцевина волокна смещена относительно номинального центра (параметры оговорены в спецификации IEC) примерно на половину радиуса зоны возможных отклонений сердцевины (рис. 1.19).



Рис. 1.19. Местоположение сердцевины волокна в наконечниках: (а) - в некалиброванном разъёме и (б) - в образцовом разъеме Б.
Потери в месте соединения наконечников стандартного разъёма и образцового разъема Б, как легко видеть из рис. 1.19, будут изменяться при вращении одного из наконечников вокруг продольной оси. Своих экстремальных значений эти потери достигают в положениях, где совпадают азимуты их сердцевин. Таким образом, имеется возможность при изготовлении разъёма настраивать его на минимум потерь.

Настройка разъёма осуществляется следующим образом. Вращая изготовленный наконечник вокруг продольной оси, определяют его положение относительно образцового, при котором достигается наименьший уровень вносимых потерь, после чего наконечник фиксируется в корпусе разъёма. Наконечник может быть вставлен в корпус разъема в одном из четырех положений (со смещением вокруг оси на 90о). В результате сердцевина волокна попадает в строго определенный (относительно корпуса разъёма) квадрант торцевой поверхности (рис. 1.19). При соединении откалиброванных таким способом разъёмов (любого с любым) потери получаются в среднем примерно в два раза меньше (рис. 1.20).



Рис. 1.20. Гистограмма распределения потерь вносимых при соединении калиброванных разъемов (любого с любым).
Достоинство этого способа настройки разъёмов, кроме эффективного уменьшения потерь (таблица № 1.3), заключается также и в том, что используются стандартные наконечники, и что стоимость таких калиброванных разъёмов увеличивается незначительно. Этот способ настройки специфицирован IEC и поддержан большинством крупных производителей, что обеспечивает совместимость и взаимозаменяемость изготавливаемых ими разъёмов.


Таблица № 1.3. Потери, вносимые при соединении разъёмов.



Параметр

Некалиброванные

разъёмы


Калиброванные

разъёмы

Потери при соединении с образцовым разъёмом, дБ.


Среднее

94 %

97 %

0.20

< 0.30

< 0.40

Среднее

95 %

99 %

0.14

< 0.30

< 0.40

Потери при соединении “любой с любым”, дБ.


Среднее

60 %

85 %

Макс

0.30

< 0.30

< 0.50

1.2

Среднее

94 %

98 %

Макс

0.15

< 0.30

< 0.40

0.71


В настоящее время на телекоммуникационных сетях в Европе наиболее часто применяются некалиброванные разъемы со специфицированным значением вносимых потерь (относительно образцового разъёма) не более 0.5 дБ. Однако поскольку с ростом числа телекоммуникационных сетей возрастает и количество точек соединений, то для снижения величины полных потерь все чаще применяются калиброванные разъёмы.


§ 14. Погрешности при измерении потерь с помощью рефлектометра
Показания рефлектометра пропорциональны десятичному логарифму отношения мощности импульса Pz, рассеянного назад на расстоянии z от начала линии, к мощности импульса Pо, рассеянного назад в начале линии. Это отношение зависит не только от коэффициента пропускания линии Т(z), но и от величин коэффициентов рассеяния Sо - в начале линии и Sz – на расстоянии z от начала линии:
Pz/Pо = Т2(z) (Sz/Sо). (1.8)
Двойка в показателе степени коэффициента пропускания возникает из-за того, что свет проходит через участок линии длиной z дважды: в качестве прямой волны и в качестве обратной (рассеянной назад) волны. Поэтому для того, чтобы рефлектометр показывал величину потерь непосредственно в децибелах
(z) = - 10 log(T(z)), (1.9)
в его логарифмической шкале используется в два раза меньший коэффициент. С помощью (1.8) и (1.9) получаем
5 log(Pо/Pz) = (z) + 5 log(So/Sz). (1.10)
Таким образом, показания рефлектометра оказываются пропорциональными величине потерь в линии (измеряемых в дБ) и логарифму отношения коэффициентов рассеяния в точке z = const и в точке z = 0. Следовательно, показания рефлектометра будут изменяться не только из-за изменения величины потерь в линии, но и из-за изменения коэффициента рассеяния. Появление этой систематической ошибки обусловлено тем, что с помощью рефлектометра потери измеряются не прямо по отношению прошедшей через линию мощности к мощности на входе в линию, а косвенно по отношению мощностей, рассеянных назад в начале и в конце линии.

Так, если коэффициент рассеяния постоянен вдоль линии (Sz = Sо), то log(Sz/Sо) = 0, и показания рефлектометра будут прямо пропорциональны величине потерь в линии (в дБ). Однако в общем случае коэффициент рассеяния не постоянен вдоль линии (Sz  Sо), и log(Sz/Sо)  0, и, следовательно, вариации коэффициента рассеяния приводят к появлению систематической ошибки.

Вариации коэффициента рассеяния возникают в основном из-за вариаций диаметра модового пятна, так как коэффициент рассеяния обратно пропорционален диаметру модового пятна. Такая зависимость коэффициента рассеяния обусловлена тем, что числовая апертура волокна NA обратно пропорциональна диаметру модового пятна (выражение 1.2). При этом, чем меньше диаметр модового пятна, тем больше апертура волокна, и тем большая доля мощности претерпевшей релеевское рассеяние в волокне (в полный телесный угол 4) попадет назад в моду волокна.

Полагая в (1.10), что отношение коэффициентов рассеяния обратно пропорционально квадратам отношения диаметров модовых пятен (Sz/Sо = (wo/ wz)2), и учитывая, что w = wz – wo << w = (wo + wz)/2, находим:
5 log(Po/Pz) = (z) + 4.34 w/w. (1.11)
Таким образом, вариации диаметра модового пятна приводят к появлению систематической погрешности пропорциональной относительной величине изменения диаметра модового пятна (w/w). Как видно из (1.4) потери в волокне также зависят w/w. Выделим эту компоненту из полных потерь в линии в явном виде
(z) = о(z) + 4.34 (w/w)2. (1.12)
Подставив (1.12) в (1.11), получим выражение, описывающее зависимость отклика рефлектометра от относительной величины вариаций диаметра модового пятна.
5 log(Po/Pz) = (z) + 4.34 (w/w)2 + 4.34 w/w. (1.13)
Характерно, что в погрешность отношение w/w входит в первой степени, а в потери во второй степени. Поэтому знак потерь всегда положительный, а знак погрешности может быть как положительным, так и отрицательным, и приводить к появлению как отрицательных, так и положительных всплесков в рефлектограмме. Кроме того, так как w/w << 1, то третий линейный член в (1.13) больше второго квадратичного. Поэтому вариации потерь в рефлектограмме, вызванные вариациями диаметра модового пятна, будут маскироваться более сильными вариациями коэффициента рассеяния.

В ряде практически важных случаев погрешность, обусловленная вариациями диаметра модового пятна, не является определяющей. Например, при измерении коэффициентов затухания в строительных длинах оптических кабелей, где вариации диаметра модового пятна, как правило, малы. Или при измерении потерь в длинной линии ( > 10 дБ), когда погрешность измерений будет обусловлена нелинейностью шкалы рефлектометра (0.02 дБ на каждый децибел измеренных потерь).

В то же время, так как диаметры модовых пятен волокон в месте их сварки могут различаться до 10 %, то линейный член в (1.13) может достигать значительной величины (~ 0.4 дБ). Поэтому одной рефлектограммы оказывается недостаточно, чтобы измерить величину потерь в местах соединения волокон. С её помощью можно только проконтролировать наиболее плохие соединения волокон.

Систематическую погрешность, возникающую в рефлектограмме из-за вариаций диаметра модового пятна в линии можно исключить, если воспользоваться тем фактом, что знак этой погрешности меняется при изменении направления распространения света, а знак потерь не зависит от направления распространения света. Для этого необходимо измерить рефлектограммы с обеих сторон линии и обработать их специальным образом. Схема, поясняющая алгоритм обработки рефлектограмм, измеренных с обеих сторон линии, изображена на рис. 1. 21.




Рис. 1.21. Схема, поясняющая алгоритм обработки рефлектограмм, измеренных с обеих сторон линии.
С помощью рефлектометра можно измерить не только величину потерь в строительных длинах оптических кабелей и в местах сварки волокон, но и величину полных потерь в линии. Однако схема измерений при этом усложняется, так как для устранения влияния отраженного излучения на входе и выходе линии необходимо установить дополнительные катушки с волокном. Поэтому измерения величины полных потерь в линии обычно осуществляют с помощью мультиметров.
§ 15. Погрешности при измерении потерь с помощью мультиметров
Схема измерения полных потерь в линии связи с помощью мультиметров, изображена на рис. 1.22. Фотоприемный блок мультиметра, расположенного в пункте А, используется для измерения опорного значения мощности излучения лазерного блока, а фотоприемный модуль мультиметра, расположенного в пункте Б – для измерения мощности излучения прошедшего через линию связи.



Рис. 1.22. Измерение потерь в ВОЛС с помощью мультиметров.
Вначале оператор, находящийся в пункте А, соединив вход и выход мультиметра оптическим шнуром, измеряет величину опорного сигнала. Затем он отсоединяет разъём шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет его через розетку к разъёму на входе в линию. Оператор, находящийся в пункте Б, подключает с помощью оптического шнура свой мультиметр к выходу линии и измеряет величину сигнала. Затем с помощью оптического телефона (или каким-либо другим способом) он сообщает результат измерений оператору, находящемуся в пункте А. Величина потерь (с учетом разности показаний фотоприемных блоков полученных в процессе их сверки) рассчитывается по формуле
(дБ) =опорный сигнал в дБм – сигнал в дБм. (1.14)
При такой схеме измерений погрешность возникает в основном последующим причинам:

Кратковременная нестабильность лазерного блока (например, по паспортным данным AQ 2150) равна 0.02 дБ, реально же она не превышает цену деления его шкалы (0.01 дБ). Стабильность светодиодного блока выше, чем у лазерного, однако при его использовании величина потерь в волокне оказывается завышенной примерно на 5 % из-за относительно широкой полосы излучения светодиода (50…100 нм).

Нелинейность мультиметра в диапазоне от 0 до 30 дБ также не превышает его цены деления. Погрешность, возникающая из-за разной чувствительности фотоприемных блоков мультиметров, устраняется путем сверки их показаний до начала измерений потерь в линии и после их окончания. Наибольшая же погрешность возникает из-за того, что не известна точно величина потерь в разъемах.

Как уже говорилось, значение потерь в разъемах, указанное его изготовителем, получено при измерении потерь в месте соединения этого разъёма с образцовым разъемом. В нашем случае ни один из разъемов не является образцовым. При соединении некалиброванных разъёмов “любого с любым” величина потерь в месте соединения разъёмов не определяется однозначно номинальной величиной потерь в этих разъёмах, и может изменяться на величину стандартного отклонения.

Величина стандартного отклонения для распределений, представленных на рис. 1.18 и 1.20, порядка их среднего значения. Соответственно для некалиброванных разъёмов стандартное отклонение будет равно 0.3 дБ, а для калиброванных разъёмов 0.15 дБ (см. таблицу № 1.3). Таким образом, погрешность измерений полных потерь в линии ограничивается неопределенностью величины потерь в разъёмах. С учетом того, что в линии всего два таких разъёма, эта погрешность будет равна 0.4 дБ при использовании некалиброванных разъёмов и 0.2 дБ при использовании калиброванных разъемов.

Хотя в одномодовом волокне потери не зависят от направления распространения света, принято проводить измерения потерь в линии в обоих направлениях. Таким образом, удается исключить некоторые систематические погрешности. Например, если по ошибке к одномодовому волокну (в оптическом кабеле) был приварен пигтейл из многомодового волокна. Тогда потери в линии будут зависеть от направления распространения света (т.е. различаться больше чем погрешность измерений), так как коэффициент передачи со стороны одномодового волокна больше, чем со стороны многомодового волокна. Или, например, усреднив результаты измерений потерь во встречных направлениях, можно исключить систематическую ошибку, возникающую из-за разной чувствительности фотоприемных блоков мультиметров, размещенных на разных концах линии.

Раздел IV. Хроматическая дисперсия
§ 16. Понятие дисперсии в оптической связи
В оптике слово «дисперсия» обычно связывают с зависимостью показателя преломления от длины волны, а в оптической связи с явлением уширения световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду. В одномодовых волокнах уширение импульсов вызывается двумя эффектами – хроматической дисперсией (D) и поляризационной модовой дисперсией (PMD).

Как правило, превалирует хроматическая дисперсия, а поляризационная модовая дисперсия начинает проявляться при скоростях передачи выше 10 Гбит/с и расстоянии между ретрансляторами в несколько сот километров. Поэтому рассмотрим вначале хроматическую дисперсию. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что спектр оптического сигнала имеет конечную ширину, и разные спектральные компоненты сигнала движутся в волокне с разной скоростью (рис. 1.23).




Рис. 1.23. Материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне
Примерный ход запаздывания импульсов  () и коэффициента дисперсии D() от длины волны излучения показан на рис. 1.24. Коэффициент дисперсии (D() = (1/L) /) рассчитывается по зависимости удельного запаздывания  () /L от длины волны излучения, где L – длина волокна.




Рис. 1.24. Зависимость запаздывания () и коэффициента дисперсии D() в SM волокне от длины волны .
Изменение ширины импульсов (в отсутствие потерь или усиления) неизбежно сопровождается изменением их пиковой амплитуды (рис. 1.25). При этом в первом приближении сохраняется произведение амплитуды импульса на его ширину: Р1t1 = Р2t2 (площадь импульса не меняется). Изменение пиковой амплитуды импульсов принято характеризовать величиной штрафа по мощности: q = 10 log(Р12). Это же понятие удобно использовать и для характеристики относительной величины уширения импульсов q = 10 log(Р12) = 10 log(t2/t1). При этом за пороговое значение штрафа по мощности часто принимают уровень q = 2 дБ, что соответствует увеличению ширины импульса примерно в 1.6 раза.


Рис. 1.25. Изменение ширины импульсов сопровождается изменением их пиковой мощности и характеризуется штрафом по мощности: q = 10 log(Р12) = 10 log(t2/t1).
§ 17. Коэффициент наклона и длина волны нулевой дисперсии
На длине волны нулевой дисперсии 0 запаздывание минимально (рис. 1.24) , и в окрестности этой точки зависимость запаздывания от времени можно приближенно описать положительной параболой
 ()/L = (S/2) ( - 0)2. (1.15)
В этом приближении коэффициент дисперсии D() линейно зависит от длины волны
D() = (1/L) () / = S ( - 0). (1.16)
Знак наклона коэффициента дисперсии (S) положительный. Знак коэффициента дисперсии при  > 0 положительный, а при  < 0 отрицательный.

Размерность коэффициента дисперсии определяется исходя из размерности элементов в формуле: D() = (1/L) /. Приращение запаздывания  обычно измеряется в пикосекундах (1пс = 10-12с), длина волокна L в километрах, ширина спектрального интервала  в нанометрах (1н = 10-9 м). Отсюда получаем, что коэффициент дисперсии измеряется в единицах [пс/нмкм]. Соответственно, наклон коэффициента дисперсии S = D() / ( - 0) измеряется в единицах [пс/нм2км].

Терминология: Параметр D() следует понимать не как дисперсию, а как коэффициент дисперсии или удельную дисперсию (в соответствии с его размерностью). Однако в литературе параметр D() для краткости принято называть дисперсией. Прилагательное в термине хроматическая дисперсия также часто опускается. Когда же говорят о дисперсии в линии, то употребляют термин полная дисперсия.

§ 18. Материальная и волноводная дисперсии
Хроматическая дисперсия представляет собой сумму материальной и волноводной дисперсий: D = Dм + Dв. Пояснить это можно следующим образом. Как уже говорилось, хроматическая дисперсия возникает из-за того, что скорость распространения волны меняется при изменении длины волны. В однородной среде скорость распространения волны может изменяться только из-за зависимости показателя преломления среды от длины волны, что и приводит к появлению материальной дисперсии. В волокне волна распространяется в двух средах – частично в сердцевине, а частично кварцевой оболочке, и для неё показатель преломления принимает некое среднее значение между значением показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки (рис. 1.26).



Рис. 1.26. Волноводная дисперсия возникает из-за того, что усредненный по диаметру моды показатель преломления изменяется при изменении длины волны.

Этот средний показатель преломления может изменяться по двум причинам. Во-первых, из-за того, что показатели преломления сердцевины и кварцевой оболочки зависят от длины волны (примерно одинаково). Эта зависимость приводит к появлению материальной дисперсии. Во-вторых, потому, что при изменении длины волны, меняется глубина проникновения поля в кварцевую оболочку и, соответственно, меняется среднее значение показателя преломления (даже если значения показателей преломления сердцевины и кварцевой оболочки не меняются). Это чисто волноводный эффект и поэтому возникающую из-за него дисперсию называют волноводной.

Волноводная дисперсия зависит от формы профиля показателя преломления. В SM волокнах форма профиля показателя преломления ступенчатая с относительно большим диаметром сердцевины (~ 8.3 мкм) и малым скачком показателя преломления (~ 0.34 %). В DS и NZDS волокнах длина волны нулевой дисперсии смещена по сравнению с SM волокнами в длинноволновую сторону.

Для того чтобы сместить длину волны нулевой дисперсии, необходимо уменьшить либо материальную, либо волноводную составляющую хроматической дисперсии. Сделать это можно, изменяя состав примесей, вводимых в сердцевину. Материальная дисперсия слабо зависит от состава легирующих примесей. В больших пределах меняется волноводная дисперсия (за счет изменения формы профиля показателя преломления) (рис. 1.27).



Зависимости от длины волны хроматической D(), материальной DМ() и волноводной DВ() дисперсий в DS волокне изображены на рис. 1.28. Хроматическая дисперсия рассчитывалась через длину волны нулевой дисперсии 0 = 1550 нм и наклон дисперсионной кривой S0 = 0.080 пс/нм2км (при  = 0) по интерполяционной формуле: D() = 0 S0 ln(/0) (G. 653).



Как видно из рис. 1.28, длина волны нулевой дисперсии в DS волокнах лежит в третьем окне прозрачности (примерно посередине полосы усиления эрбиевого оптического усилителя). В NZDS волокнах она смещена так, что не попадает в полосу усиления EDFA. Так в NZDS волокнах с положительной дисперсией длина волны нулевой дисперсии лежит ниже 1500 нм, а в NZDS волокнах с отрицательной дисперсией выше 1600 нм.


Раздел V. Механизмы уширения и сжатия импульсов
§ 19. Чирпинг эффект из-за хроматической дисперсии
Как уже говорилось, в оптической связи термин дисперсия связывается с уширением импульсов. Однако хроматическая дисперсия может приводить не только к уширению импульсов, но и к их сжатию. Рассмотрим, например, линию, состоящую из двух участков волокон одинаковой длины и одинаковой по модулю, но противоположной по знаку хроматической дисперсией. Так как полная дисперсия такой линии равна нулю, то импульс, уширившийся на первом участке линии, на втором участке неизбежно должен сжаться до начальной величины (рис. 1.29).




Рис. 1.29. Прохождение импульса света через два участка волокна одинаковой длины и с одинаковой по модулю, но противоположной по знаку хроматической дисперсией.
Чтобы понять, почему в дисперсионной среде может происходить сжатие импульсов, вспомним, что импульс характеризуется (во времени) не только длительностью и формой, но зависимостью частоты несущей от времени (чирпингом). Импульс на входе в линию (рис. 1.29) промодулирован только по амплитуде, и частота его несущей не зависит от времени (чирпинга нет).

Импульс без чирпинга, пройдя через первый отрезок волокна с положительной дисперсией, приобретет дополнительную частотную модуляцию (положительный чирпинг) и при этом уширяется. Уширяется импульс потому, что в волокне с дисперсией разные спектральные компоненты импульса движутся с разной скоростью. Положительный чирпинг импульс приобретает потому, что при положительной дисперсии длинноволновые компоненты запаздывают сильнее, чем коротковолновые. Если бы первый отрезок волокна обладал отрицательной дисперсией, то импульс бы все равно уширился, но приобрел бы при этом отрицательный чирпинг. Т. е. импульс без чирпинга уширяется независимо от знака дисперсии волокна.

Однако, как видно из второй половины рис. 1.29, если импульс обладает чирпингом, и знак дисперсии в волокне противоположен знаку чирпинга в импульсе, то импульс сжимается. Так на выходе из первого волокна импульс уширился и приобрел положительный чирпинг, а во втором волокне (с отрицательной дисперсией) он начал сжиматься. Сжатие импульса происходит до тех пор, пока не исчезнет чирпинг и импульс не сожмется до начальной величины. Если же увеличить длину второго волокна, то импульс в дальнейшем начнет расширяться, приобретая при этом отрицательный чирпинг.

§ 20. Ширина спектра импульсов с чирпингом
Сжатие импульса можно объяснить и на спектральном языке. Как показано на рис. 1.30 при той же ширине спектра длительность импульса без чирпинга меньше длительности импульса с чирпингом. Поэтому про импульс с чирпингом говорят, что он не фурье-уширен - произведение ширины спектра на длительность импульса больше, чем это следует из преобразования фурье.

Понять это можно, сравнив импульсы на входе и выходе первого отрезка волокна с дисперсией (рис.1.29). Уширение импульса и появление у него чирпинга, как уже говорилось, обусловлено разной скоростью распространения его спектральных компонент. Это приводит только к появлению зависящего от частоты фазового сдвига между амплитудами его спектральных составляющих. Сам же спектр, т.е. модули этих амплитуд, при этом не меняется (рис. 1.30).



Рис. 1.30. Импульсы и их спектр на входе и на выходе волокна с положительной дисперсией. Импульс на выходе волокна уширился и приобрел чирпинг. Ширина его спектра при этом не изменилась
Теперь становится понятным, почему происходит сжатие импульса во втором волокне (рис. 1.29). На вход второго волокна (с отрицательной дисперсией) поступает импульс с чирпингом (положительным). Этот импульс уширен не по фурье – у него длительность больше, чем у импульса с такой же шириной спектра, но без чирпинга. После того как импульс пройдет через волокно, спектр его не изменится, а чирпинг исчезнет. Импульс без чирпинга должен быть уширен по фурье, и, следовательно, его длительность должна уменьшиться.

§ 21. Чирпинг эффект при прямой модуляции лазера
DFB лазеры (Distributed Feedback Laser) с прямой модуляцией излучения обладают тем преимуществом, что стоят в несколько раз дешевле лазеров с внешним электроабсорбционным модулятором (рис. 1.31) и обладают в несколько раз большей мощностью излучения. Однако при изменении тока через полупроводниковый диод (прямая модуляция) меняется не только коэффициент усиления диода, но и показатель преломления p/n перехода. Следовательно, меняется частота излучения лазера, т.е. импульсы приобретают чирпинг.




Рис. 1.31. Импульсы и их спектры на выходе DFB лазеров с прямой модуляцией (а) и с внешним модулятором (б). Ширина импульсов одинаковая, но импульс, полученный при прямой модуляции лазера, обладает чирпингом и у него спектр шире.
Характерно, что при скоростях модуляции выше 1 Ггц этот чирпинг имеет положительный знак. Поэтому, при использовании лазеров с прямой модуляцией, и скорости передачи в 2.5 Гбит/с (STM-16) длина ретрансляционного участка в линии с SM волокнами ограничивается дисперсией (рис. 1.32).




Рис. 1.32. Прохождение импульсов (2.5 Гбит/с (STM-16)) полуученых при прямой модуляцией DFB лазера ( = 1550 нм) в линии с SM волокном.
Как показано на рис. 1.32, картина восстанавливается (импульсы сжимаются) после того, как они проходят через компенсатор дисперсии (DC волокно с отрицательной дисперсией). Однако каждый компенсатор дисперсии вносит большие потери (3…9 дБ), и в линию приходится включать оптический усилитель, что сводит на нет весь экономический эффект, получаемый за счет использования DFB лазеров с прямой модуляцией. Кроме того, использование компенсатора дисперсии представляет и определенную техническую проблему, так как в кольцевых линиях направление маршрута данных и, соответственно, длина компенсируемого участка волокна может изменяться.

Для того, чтобы удовлетворить растущую потребность в недорогих средствах передачи больших объемов информации в городских сетях и сетях средней дальности, были разработаны новые модели волокон с отрицательной дисперсией (MetroCore компании Corning и WideLight компании Pirelli и др.). Применение волокон с отрицательной дисперсией позволяет не только обеспечить высокую скорость передачи данных в этих сетях, но и снизить стоимость комплекта “оборудование + кабель”.

Результаты экспериментальных исследований изменения ширины импульсов (при скорости передачи 2.5 Гбит/с (STM-16)) в SM волокне (положительная дисперсия) и в волокне MetroCore (отрицательная дисперсия) представлены на рис 1.33. Изменение ширины импульсов характеризуется штрафом по мощности: q = = 10 log(t2/t1), где t2/t1 – отношение ширины импульса в линии к ширине импульса на входе в линию. Видно, что в SM волокне импульсы уширяются и достигают уровня q = 2 дБ (t2/t1 = 1.6) на расстоянии порядка 150 км. В то же время в волокне MetroCore по крайней мере до 400 км эти же импульсы не уширяются.




§ 22. Чирпинг эффект при фазовой самомодуляции волн.
Фазовая самомодуляция волн (SPM - Self-Phase Modulation) обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от интенсивности распространяющегося в нем света. При изменении интенсивности волны изменяется показатель преломления волокна, что и приводит модуляции фазы волны.

Для нашего анализа существенно то, что мощность в импульсе является функцией времени - на заднем фронте импульса мощность увеличивается во времени, а на переднем фронте уменьшается. Поэтому возникающий из-за SPM эффекта дополнительный набег фазы также является функцией времени - на заднем фронте импульса фазовый сдвиг увеличивается во времени, а на переднем уменьшается. А так как частота является производной фазы по времени, то импульс оказывается промодулированным не только по амплитуде, но и по частоте. В результате длина волны несущей на заднем фронте импульса, оказывается короче длины волны несущей на переднем фронте импульса.

Таким образом, SPM эффект приводит к появлению чирпинга и в отсутствие дисперсии в волокне. Характерно, что в отсутствии дисперсии SPM эффект приводит к уширению спектра импульса, но не меняет ширину импульса (рис. 1.34).



Рис. 1.34. Фазовая самомодуляция волн (SPM эффект) в волокне с нулевой дисперсией. Ширина импульса не меняется, но он приобретает чирпинг (частотную модуляцию). Спектр импульса становится шире.
В волокне с дисперсией SPM эффект приводит одновременно к изменению как ширины спектра, так и ширины импульса. Напомним, что в линейном приближении дисперсия приводит только к изменению ширины импульса, но не меняет ширину его спектра (см. рис. 1.30).

С увеличением мощности излучения в волокне с отрицательной дисперсией ширина импульса увеличивается. Происходит это потому, что благодаря SPM эффекту длина волны несущей вблизи заднего фронта импульса, оказывается короче длины волны вблизи переднего фронта. А так как в волокне с отрицательной дисперсией скорость распространения волн уменьшается с уменьшением длины волны, то задний фронт импульса начинает отставать от переднего фронта, и ширина импульса увеличивается.

В волокне с положительной хроматической дисперсией при увеличении мощности импульс вначале сжимается. Волокно с положительной дисперсией ускоряет задний фронт импульса (с более короткими волнами) и замедляет передний фронт (с более длинными волнами), что и приводит к сжатию импульса.

Сжатие импульса наблюдается при не слишком большой мощности, когда уширение спектра импульса из-за SPM эффекта ещё мало. При большой мощности уширение спектра импульса становится уже основным фактором, определяющим ширину импульса при его распространении в волокне с дисперсией. Такой импульс будет уширяться независимо от знака дисперсии волокна.

При промежуточном значении мощности эффект сжатия импульса (наблюдаемый при малой мощности) может в принципе компенсировать эффект уширения импульса (наблюдаемый при большой мощности), т.е. возможна такая ситуация, когда импульс будет распространяться в волокне, не меняя своей ширины. Действительно, как показывает более точный анализ, можно подобрать такую мощность и форму импульса, что в волокне с положительной дисперсией он будет распространяться, не меняя своей формы. Такие импульсы называются солитонами. Их применение в оптической связи весьма перспективно и в настоящее время сдерживается только стремительным развитием DWDM систем.

Раздел VI. Компенсация полной дисперсии в линии передачи
§ 23. Максимально допустимая величина уширения импульсов
Максимально допустимая величина уширения импульсов определяется из условия, что импульсы перекрываются настолько, что ошибки, возникающие при идентификации битов, превышают допустимую величину (рис. 1.35).



Рис. 1.35. Битовый код 101 на входе и на выходе волокна с большой хроматической дисперсией. На входе в волокно биты 1 и 0 представлены, соответственно, наличием и отсутствием оптической мощности. На выходе из волокна бит 0 представлен уже не нулевой оптической мощностью, и, соответственно, вероятность принять его за бит 1 отлична от нуля.
Для оценки этого расстояния воспользуемся критерием, что ширина импульса t = T/4 = 1/(4B), где Т = 1/В – битовый интервал, В – битовая скорость. При его выполнении 95 % мощности импульса (гауссовой формы) лежит внутри битового интервала. Например, при скорости передачи B = 2.5 Гбит/с (STM-16) битовый интервал T = 1/B = 400 пс, а допустимая ширина импульса t = T/4 = 100 пс. Начальная же ширина импульсов t0 с учетом того, что, пройдя через волокно, импульсы уширятся должна быть, соответственно, меньше 100 пс.
§ 24. Связь между начальной и конечной шириной импульсов
Конечная ширина импульса выражается через его начальную ширину t0 соотношением:
t = (t20 + t2D)1/2, (1.17)
где tD - уширение импульса. Оно равно произведению коэффициента дисперсии D на длину волокна L и на ширину спектра сигнала .
tD = D (пс/нмкм)  L (км)   (нм). (1.18)
Спектр оптического сигнала имеет ненулевую ширину как из-за того, что излучение промодулировано по амплитуде, так и из-за не нулевой ширины спектра источника излучения. Ширина полосы частот для лазеров с распределенной обратной связью (DFB – Distributed Feedback Laser ) составляет величину порядка 10…100 МГц, что много меньше ширины полосы частот электрического сигнала для STM–16 (f = 1/t0 = 10 Ггц). В этом случае DFB лазер можно рассматривать как монохроматический источник излучения и полагать, что ширина спектра оптического сигнала  равна ширине спектра электрического сигнала, величина которого в свою очередь обратно пропорциональна начальной ширине импульсов t0.

При большой начальной ширине импульсов t0 конечная ширина импульсов t = (t20 + t2D)1/2 примерно равна t0 и увеличивается при увеличении t0. При малой начальной ширине импульсов t0 конечная ширина импульсов t примерно равна уширению импульсов tD и увеличивается при уменьшении t0. (так как tD ~ 1/t0). Таким образом, должно существовать оптимальное значение t0, при котором конечная ширина импульсов t минимальна, и, соответственно, предельно достижимое расстояние между ретрансляторами максимально.
§ 25.Максимальное расстояние между ретрансляторами
Оценка максимального расстояния между ретрансляторами обычно проводится в предположении, что потери в волокне скомпенсированы с помощью оптических усилителей. Кроме того, предполагается, что у волокон, уложенных в линию передачи, знак дисперсии один и тот же, а импульс без чирпинга (т.е. промодулирован только по амплитуде). Используя предыдущие выражения можно показать, что максимальное расстояние между ретрансляторами выражается через скорость передачи данных (измеряемую в единицах Гбит/с) и полную дисперсии линии соотношением
D L = 105 / B2. (1.19)
Тот факт, что полная допустимая дисперсия в линии обратно пропорциональна квадрату скорости передачи данных качественно, можно объяснить следующим образом. Во-первых, при удвоении скорости передачи удваивается ширина спектра сигнала и, следовательно, удваивается и величина уширения импульса tD из-за дисперсии волокна. Во-вторых, при удвоении скорости передачи начальная длительность импульса уменьшается в два раза и, соответственно, дисперсионная добавка к полной ширине сказывается в два раза сильнее. Совместное действие уширения спектра импульса и уменьшение его длительности и приводят к появлению квадратичной зависимости полной дисперсии в линии от скорости передачи данных.

Результаты оценок полной дисперсии в линии связи и максимальное расстояние между ретрансляторами (без компенсации дисперсии) для SM и волокон (D = 16 пс/нмкм на  = 1550 нм) приведены в таблице № 2.2.
Таблица № 1.4. Допустимая величина полной дисперсии в линии связи и максимальное расстояние между ретрансляторами для SM волокна.



Скорость передачи

данных


Допустимая величина полной дисперсии

в линии связи, пс/нм.



Максимальное расстояние между ретрансляторами, км


2.5 Гбит/с (STM-16)


16 000

1000

10 Гбит/с (STM-64)


1000

60

40 Гбит/с (STM-256)


60

4
1   2   3   4   5


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации