Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

эффекта присутствуют одновременно, поэтому возникает необ-

ходимость учета их совместного влияния для определения об-

щей дисперсии волокна.

При оценке полосы пропускания оптической системы связи

или максимальной скорости передачи данных необходимо учи-

тывать форму принимаемых импульсов. Большинство оптиче-

ских источников излучения имеют приблизительно гауссово

распределение мощности по длинам волн. В таком случае сле-

дует ожидать, что форма принятого импульса будет также гаус-

совой.

Пусть уширение импульса происходит под влиянием как

межмодовой, так и хроматической дисперсии. Пусть оба меха-

низма независимы друг от друга. Если

- длительность пере-

даваемого импульса на уровне половинной мощности,

mod

уширение импульса, происходящее в результате влияния меж-

модовой дисперсии,

chr

- уширение импульса, происходящее в

результате влияния хроматической дисперсии, то в результате

их совместного влияния на выходе образуется импульс длитель-

ностью :

chr

mod

τ+τ+τ=τ , (11.13)

где

wmatchr

τ=τ

Рис. 11.3. Передаваемый гауссов импульс

101

11.4. Поляризационная модовая дисперсия

Главная физическая причина появления поляризационной

модовой дисперсии (ПМД) является некруглость сердцевины

волокна. Электрическое поле световой волны можно всегда

представить в виде суперпозиции двух ортогональных линейно

поляризованных векторов. В идеальном круглом волокне обе

компоненты (моды) распространяются с одинаковой скоростью,

и в результате прохождения такого волокна длительность ре-

зультирующего импульса остается такой же, как и на входе в

волокно. Реальные волокна имеют неидеальную геометрию, по-

этому две различные составляющие, имеющие перпендикуляр-

ные поляризации, распространяются с различными скоростями.

Поскольку в традиционных линиях связи фотоприемник на

принимающей стороне не оснащается поляризатором из-за по-

тери мощности и удорожания системы связи, и принимает одно-

временно сигнал от обеих поляризованных составляющих, это

приводит к уширению импульса на выходе, которое называется

поляризационной модовой дисперсией .

pmd

Из-за небольшой величины ПМД может проявляться исклю-

чительно в одномодовых волокнах, причем когда используется

передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4

Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения

0,1

нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия

становится сравнимой с поляризационной модовой дис-

персией. Для учета вклада поляризационной модовой дис-

персии в результирующую дисперсию следует добавить

слагаемое

pmd

chr

mod

τ+τ+τ+τ=τ . (11.14)

Главной причиной возникновения поляризационной модо-

вой дисперсии является некруглость (овальность) профиля

сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе

изготовления или эксплуатации волокна. Стандартные волокна

стремятся изготавливать с как можно меньшей нециркулярно-

стью, однако добиться идеального профиля волокна невозмож-

102

но. Есть несколько факторов роста анизотропии профиля во-

локна [12]:

•

несовершенство заводского процесса вытяжки волокон,

• скрутка волокон при изготовлении кабеля,

• изгибы кабеля и как следствие механические деформа-

ции волокон,

•

изменения температуры окружающей среды, ветровые

нагрузки, деформации вследствие обледенения для под-

весных волоконно-оптических кабелей.

Из-за наличия динамических факторов даже в пределах отдель-

ного сегмента волокна невозможно определить направление по-

ляризации сигнала. С другой стороны, в местах соединения во-

локон или изгибах происходит взаимодействие или смешение

ортогональных мод. Следовательно, результирующая поляриза-

ционная модовая дисперсия носит случайный характер и про-

порциональна корню квадратному из длины оптической линии

связи L:

LDt

pmdpmd

=Δ , (11.15)

pmdpmd

pmd

=τ , (11.16)

где - коэффициент поляризационной модовой дисперсии.

pmd

Существенным отличием поляризационной модовой дис-

персии от хроматической является тот факт, что влияние хро-

матической дисперсии в линии можно компенсировать, в то

время как развитых методов компенсации влияния поляризаци-

онной модовой дисперсии в настоящее время не разработано.

11.5. Компенсация дисперсии

Классический подход компенсации хроматической диспер-

сии состоит в следующем: в систему передачи добавляют ком-

поненты с постоянной отрицательной хроматической дисперси-

ей, чтобы свести к нулю накопленную хроматическую диспер-

сию линии передачи. При тщательном проектировании эта тех-

нология позволяет значительно увеличить длину линий переда-

103

чи со скоростями до 10 Гбит/с. Успех методов статической ком-

пенсации зависит от того, насколько хорошо постоянная дис-

персия компенсирующего кабеля или других компонентов со-

гласуется с дисперсией линии передачи.

Логическим развитием методов компенсации стало исполь-

зование таких компонентов, дисперсия которых может пере-

страиваться как по величине, так и по длине волны, что допус-

кает возможность динамической компенсации. Для динамиче-

ской компенсации используется обратная связь, в которой изме-

ренное значение дисперсии используется при выработке управ-

ляющего сигнала для устройства компенсации дисперсии.

Выводы

На основе выводов из предыдущей лекции, касающихся

природы материальной дисперсии, получена формула для рас-

чета материальной дисперсии в оптических волокнах. Показано,

что материальная дисперсия в оптических волокнах определяет-

ся величиной второй производной от показателя преломления

λ∂

∂

. Рассмотрены хроматическая дисперсия и понятие длины

волны нулевой дисперсии, поляризационная модовая дисперсия.

Рассмотрен учет совместного влияния различных видов диспер-

сии.

Вопросы и задачи

11.1. По какой формуле рассчитывается материальная дисперсия

при распространении сигнала в объемной среде?

11.2. Что такое ширина спектра источника излучения?

11.3. В каких единицах измеряется материальная дисперсия?

(см. лекцию № 10)

11.4. Что такое хроматическая дисперсия?

11.5. Что такое длина волны нулевой дисперсии?

11.6 Что такое ПМД (поляризационная модовая дисперсия)?

11.7. В каких единицах измеряется поляризационная модовая

дисперсия?

11.8. Как учесть совместное влияние различных видов диспер-

сии?

104

11.9. Можно ли скомпенсировать поляризационную модовую

дисперсию?

11.10. Оценить расстояние L

, при котором хроматическая и

поляризационная модовая дисперсия сравниваются по

величине, если коэффициент хроматической дисперсии

D=2 пс/(нм⋅км), коэффициент поляризационной модовой

дисперсии

км/пс5,0D

pmd

= , а ширина спектрального

излучения

нм05,0

ЛЕКЦИЯ 12

Затухание в волокне.

12.1. Потери в оптических волокнах

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как по-

тери на поглощении, потери на рассеянии, кабельные потери.

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собст-

венными потерями, в то время как кабельные потери в силу их

природы называют также дополнительными потерями.

Затухание

Собственные

потери

Кабельные

потери

Рис. 12.1. Основные типы потерь в волокне

Полное затухание в волокне определяется в виде суммы и

измеряется в дБ/км:

radsctabsradint

. (12.1)

Потери на

поглощении

Потери на

рассеянии

int

rad

abs sct

105

Рис. 12.2. Поглощение в одномодовом кварцевом волокне (по

данным [4]).

Рассмотрим

потери на поглощении. Как было показано ра-

нее в п.10.3, ответственные за материальную дисперсию элек-

тронные и атомные резонансы вызывают также поглощение в

окрестностях резонансных частот. Для интересующих нас мате-

риалов это резонансы в ультрафиолетовой области спектра, свя-

занные с колебаниями оптических электронов, и резонансы в

инфракрасной области, обусловленные колебаниями атомов

кристаллической решетки. Хотя эти резонансы и лежат весьма

далеко от тех частот, которые используются в оптических лини-

ях связи, однако они вызывают столь сильное поглощение, что

106

хвосты их полос поглощения захватывают эту область при

очень малом уровне потерь (см. рис. 12.2).

Край ультрафиолетовой и инфракрасной полос поглощения

играет важную роль в материалах, используемых для изготовле-

ния оптических волокон. Однако эти материалы могут также

содержать примеси, способные вызвать поглощение на интере-

сующих нас длинах волн. Даже ничтожные концентрации при-

месей приводят к появлению пиков на кривой потерь (рис.12.2).

Следует отметить характерный максимум поглощения в районе

1480 нм, который соответствует парам воды. Этот пик присут-

ствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду боль-

ших потерь до настоящего времени практически не использова-

лась. Однако, в последние годы разработана принципиально но-

вая технология изготовления оптических волокон, исключаю-

щая наличие паров воды в оптическом волокне, что позволило

говорить об открытии для передачи нового окна прозрачности.

Потери на рассеянии. По своей природе кварцевой волокно

является неупорядоченной структурой, в которой имеются мик-

роскопические отклонения от средней плотности материала, а

также локальные микроскопические изменения в составе. Каж-

дое из указанных изменений приводит к флуктуациям показате-

ля преломления в пределах областей, размер которых мал по

сравнению с длиной волны оптического диапазона. Рассеяние

света на таких микроскопических неоднородностях называется

рэлеевским рассеянием.

Потери, обусловленные рэлеевским рассеянием, могут быть

минимизированы путем более тщательного контроля процесса

охлаждения расплава, из которого затем будет вытягиваться во-

локно. Характерная особенность данного явления состоит в том,

что рассеиваемая мощность, а, следовательно, и потери обратно

пропорциональны длине волны в четвертой степени. Из рис.

12.2 видно, что именно рэлеевской рассеяние, а не край полосы

ультрафиолетового поглощения является основной причиной

потерь в кварцевых оптических волокнах но длинах волн короче

1500 нм.

Кабельные потери

rad

обусловлены скруткой, деформа-

циями и изгибами волокон, возникающими при наложении по-

107

крытий и защитных оболочек, производства кабеля и его про-

кладки. При современном уровне производства при соблюдении

технических условий вклад со стороны кабельных потерь дол-

жен быть минимальным.

Длина волны отсечки определяется как наименьшая длина

волны, при которой в волокне реализуется одномодовый режим

распространения излучения. Длина волны отсечки зависит от

натяжения волокна, радиуса изгиба волокна, сжатия и т.д. По-

этому длина волны отсечки оптического кабеля меньше длины

волны отсечки свободного волокна.

12.2. Оптимальная длина волны для кварцевого

оптического волокна. Потенциальные ресурсы

оптического волокна

Основными характеристиками системы связи являются по-

лоса пропускания и расстояние между ретрансляторами, а опре-

деляющими параметрами волокна - дисперсия и потери. Совре-

менные оптические волокна оптимизированы для передачи на

длинах волн 850 нм, 1310 нм, 1550 нм. Первые линии связи на

многомодовых волокнах работали в окне прозрачности вблизи

длины волны 850 нм (это первое окно прозрачности). Эта длина

волны соответствует самым распространенным источникам из-

лучения из арсенида галлия. Линии магистральной и внутризо-

новой связи работают во втором окне прозрачности вблизи дли-

ны волны 1310 нм (1285÷1330 нм). Длина волны 1310 нм соот-

ветствует длине волны нулевой дисперсии кварцевого волокна,

причем в окрестностях 1310 нм имеет место локальный мини-

мум потерь (рис. 12.2). Длина волны 1550 нм соответствует

минимальным потерям в волокне (это третье окно прозрачно-

сти). Наиболее перспективными для высокоемких сетей связи

являются третье (1530÷1565 нм) и четвертое (1565÷1625 нм) ок-

на прозрачности, в которых все современные типы оптических

волокон имеют наименьшее затухание (0,18÷0,20

дБ/км).

Не принимая во внимание дисперсию, рассмотрим потенци-

альные возможности волокна [3]. Длина волны и частота свето-

вого излучения связаны между собой формулой

/c . (12.2)

108

Продифференцируем по

−=

. (12.3)

вокруг соответствует окно

Следовательно, окну

которое определяется по формуле

/c λλΔ⋅=νΔ . (12.4)

Если и

нм1310

=λ

нм200

, то ТГц35

≈

, если же

нм1550

=λ нм200

, то ТГц25≈

. Наиболее подхо-

дящим с точки зрения магистральных протяженных сетей явля-

ется окно 1550 нм, поскольку в этом окне достигается мини-

мальное затухание сигнала. Несмотря на такие большие ресурсы

волокна, реализовать передачу на скорости 25 Тбит/с в настоя-

щее время невозможно, поскольку соответствующая частота

модуляции пока недостижима. Однако есть другое эффективное

решение, идея которого заключается в разделении всей полосы

на каналы меньшей емкости. Каждый из таких каналов можно

использовать под отдельное приложение. Эта технология из-

вестна как

волновое мультиплексирование (WDM). Техноло-

гия WDM позволяет увеличить пропускную способность волок-

на не за счет увеличения частоты модуляции, а за счет добавле-

ния новых длин волн - новых несущих. Единственное условие,

которое необходимо выполнить - это исключить перекрытие

между спектральными каналами.

Градиентное многомодовое волокно. Широко использу-

ются два стандарта многомодового градиентного волокна -

62,5/125 и 50/125. Полоса пропускания этих волокон на длине

волны 1300 нм в два раза превышает полосу пропускания на

длине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. По-

лоса пропускания определяется дисперсией, которая состоит из

межмодовой и хроматической дисперсии. Если межмодовая

дисперсия слабо зависит от длины волны (см.(10.4)), то хрома-

тическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излуче-

ния (11.8). Хроматическая дисперсия в окрестностях 1300 нм

очень мала, однако возрастает для длины 850 нм. С учетом того,

что обычно в качестве передатчиков используются светоизлу-

чающие диоды, имеющие ширину спектра источника

109

нм50≈λΔ , хроматическая дисперсия на длине волны 850 нм

начинает играть существенную роль наряду с межмодовой дис-

персией. Значительно уменьшить хроматическую дисперсию

можно, применяя в качестве источника излучения лазерные

диоды, имеющие значительно меньшую ширину спектра излу-

чения. В полной мере воспользоваться этим преимуществом

лазерных источников можно только при использовании одномо-

дового волокна в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм, когда

полностью отсутствует межмодовая дисперсия, и остается толь-

ко хроматическая дисперсия.

Одномодовые волокна. С точки зрения дисперсии, сущест-

вующие одномодовые волокна разбиваются на три типа: стан-

дартные волокна SF со ступенчатым профилем (рис. 12.3, а),

волокна со смещенной дисперсией DSF (рис. 12.3, б) и волокна с

ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

- 25 - 15 - 5 0

15 25

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

- 0,5

8,3/125 Стандартное одномодовое

волокно

(ступенчатый профиль

показателя преломления)

Относительный показатель

преломления (%)

Радиус (мкм)

- 25

- 15 - 5 0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

- 0,1

1,0

Одномодовое

волокно

со смещенной

дисперсией

(спецпрофиль

показателя

преломления)

Относительный показатель

преломления (%)

Радиус (мкм)

а) б)

Рис. 12.3. Профили показателей преломления одномодовых во-

локон. а) SF, б) DSF.

Все три типа волокон очень близки по затуханию на длинах

волн 1310 нм и 1550 нм, но отличаются характеристиками хро-

матической дисперсии. Стандартное волокно SF оптимизирова-

но по дисперсии для работы в окне 1310 нм (длина волны нуле-

вой дисперсии), хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм.

Волокно со смещенной дисперсией DSF полностью оптимизи-

ровано для работы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по

110