Останков А.В., Пастернак Ю.Г., Юдин В.И. Волоконно-оптические линии связи

Подождите немного. Документ загружается.

максимальным уровнем, а в бите, соответствующем «1», при-

меняется обратная последовательность: «max»

→

«min». В моди-

фицированном коде Bi-Phase-M передача каждого очередного

бита сопровождается изменением уровня сигнала, но, если но-

вый бит соответствует «0», то уровень сигнала сохраняется на

протяжении всего бита; если же новый бит соответствует «1»,

то по прошествии половины его длительности уровень сигнала

изменяется на противоположный. Оба кода («Манчестер», Bi-

Phase-M) – двухсимвольные. В коде Миллера биты передаются

одним символом. Если бит соответствует «1», то в середине пе-

риода уровень сигнала изменяется на противоположный. Ко-

гда же надо передать «0», то в начале периода уровень изменя-

ется, если «0» следует за «0»; если перед «0» передавалась «1»,

то в начале периода уровень не изменяется. При любой ситуа-

ции уровень сигнала в течение «нулевого» бита сохраняется.

Когда в оптической линии связи используются модуля-

ционные

коды,

различают

скорости

передачи

данных

(бит/с)

передачи символов (Бод). В односимвольных кодах эти скоро-

сти одинаковы, для двухсимвольных вторая (в бодах) вдвое

превышает первую (в бит/с). Характеризуя скоростные качест-

ва ВОЛС, следует указывать скорость передачи символов.

3. ОПТИЧЕСКИЕ СВЕТОВОДЫ И КАБЕЛИ

3.1. Принцип действия оптического диэлектричес-

кого волновода

Световод является диэлектрической направляющей сис-

темой для волн оптического диапазона. Конструкция светово-

да не нуждается в металлических отражающих стенках, как

этого требуют волноводы СВЧ диапазона. Направляющий эф-

фект в световоде достигается вследствие выполнения на гра-

нице раздела его с воздухом или другим окружающим внеш-

ним диэлектрическим материалом условия полного внутренне-

го отражения для наклонно падающих на эту границу оптичес-

ких волн. В простейшем случае световод устроен следующим

образом (рис. 3.1).

Сердцевина световода,

имеющая форму цилиндра

радиусом a (в интегральных

оптических световодах – тон-

кой пленки толщиной а), из-

готовлена из прозрачного ди-

электрика с показателем пре-

ломления n

и окружена дру-

гим прозрачным диэлектриком (оболочкой) – цилиндрической

трубкой с внешним радиусом b, выполненной из материала с

показателем преломления n

. Если световой луч, находя-

щийся в осевой плоскости, падает на границу раздела (точка А)

под углом

),arcsin(

12КР

≥

(3.1)

он испытывает полное отражение, возвращается в сердцевину

и, достигнув точки В, вновь полностью отражается. Такой луч

не имеет возможности, преломившись на границе раздела, выйти

в оболочку и, поэтому, оказавшись захваченным сердцевиной,

направляется ею вдоль оси. Захваченный луч повторяет все из-

гибы световода, если радиус изгиба не слишком мал и условие

(3.1) не нарушается. Будучи промодулированным, луч перено-

сит по световоду информацию.

данные

0 1 0 0 1 1 0 0 0 1

период бита

импульсы

таймера

NRZ

код

«Манчестер»

Bi-Phase-M

код

Миллера

Рис. 2.36

40 41

КР

Рис.3.1

Качество световода и область его применения оценивает-

ся по следующим характеристикам.

3.2. Важнейшие характеристики световода

3.2.1. Числовая апертура

Числовая апертура световода определяет тот конус света,

который захватывается сердцевиной, если все лучи конуса

располагаются в осевой плоскости и, падая на торцевую по-

верхность световода, попадают в осевую точку О (рис. 3.2).

Рассмотрим критический режим, при котором луч подхо-

дит к границе раздела сердцевина-оболочка под углом Θ

КР

и преломляется под углом γ

КР

π/2. Из второго закона Снел-

лиуса:

.sinsinsin

КР2КР1КР3

⋅

=ϕ⋅

⋅

nnn (3.2)

Если n

1 (третья среда − атмосферный воздух), то

.sin

1КР

nn −=α (3.3)

Таким образом, сердцевина световода захватывает и направля-

ет все лучи внутри конуса с углом при вершине

.arcsin22

1КР

nn −⋅=α⋅ (3.4)

Величина

КР

sinα=NA (3.5)

и определяет числовую апертуру световода.

Обозначая

,2)(,

2121

nnnnnn

−

∆

(3.6)

получаем

nnNA ∆⋅⋅= 2 (3.7)

Числовая апертура определяет ряд технических парамет-

ров световода. Например, чем больше каждый из показателей

преломления n

и n

, а также различие между ними (∆n), тем

более широкий конус света (3.4) захватывает сердцевина. С дру-

гой стороны, от числовой апертуры зависит доля оптической

мощности, перехватываемая световодом. На рис. 3.3 показан

ламбертов оптический источ-

ник (с диаграммой направлен-

ности излучения F(φ)

cosφ), за-

крепленный на торцевой поверх-

ности световода. Выходная мощ-

ность источника составляет P

Перехватываемая светово-

дом мощность может быть оп-

ределена как

nnPNAPP ∆⋅⋅⋅=⋅=

(3.8)

Видно, что и здесь для увеличения вводимой в световод мощ-

ности следует повышать числовую апертуру (n и ∆n).

В технике сверхвысоких частот полые металлические

световоды эксплуатируются обычно в режиме распростране-

ния одной моды (одного типа волны). Для световода одномо-

довый режим возможен, если выполняется нижеприведенное

условие для безразмерного частотного параметра

.405.2)2(

⋅

NAa (3.9)

Чем меньше a, n, ∆n (эти требования, прямо обратны выте-

кающим из (3.4), (3.8)), тем легче достигается режим одной

моды. В противном случае световод будет маломодовым (од-

новременно распространяется несколько десятков мод) или

многомодовым (по световоду бегут сотни типов волн одно-

Рис. 3.2

КР

π/2

42 43

Рис.3.3

)

КР

активный

p-n-слой

временно), и в этом режиме полное количество распростра-

няющихся мод определяется выражением:

nnaN ∆⋅⋅λ⋅π⋅=υ

)(42~

(3.10)

От числовой апертуры зависят также потери на изгибах

световода, где вследствие нарушения условия полного внут-

реннего отражения часть оптической мощности перетекает в

оболочку. Теоретически потери на криволинейном участке

световода с радиусом изгиба R описываются экспоненциаль-

ным законом exp(−R/R

КР

), где

.)2(

КР

nnaNAaR ∆⋅⋅== (3.11)

Как видно, требования к величине NA с целью улучше-

ния того или иного параметра световода могут быть прямо

противоположными, и конкретное значение числовой аперту-

ры устанавливается на основе компромисса.

3.2.2. Профиль показателя преломления

Весьма важной характеристикой световода является про-

филь показателя преломления в поперечном сечении. Если при

переходе от оболочки к сердцевине показатель преломления из-

меняется скачком, световод называют ступенчатым. Если же при

пересечении границы раздела оболочка-сердцевина скачка пока-

зателя преломления нет, но внутри сердцевины последний при

перемещении к оси плавно изменяется на интервале a

≥

то световод называют градиентным. Разновидности ступенчатых

световодов показаны

на

рис.

3.4,а

в, градиентных

–

на рис.

3.4,г,д.

Как отмечалось выше, по составу направляемых оптичес-

ких волн световоды делятся на одномодовые, маломодовые и

многомодовые. Одномодовый световод – самый дорогой и

применяется в высокоскоростных ВОЛС (например, в межкон-

тинентальных). Большинство же других составляют маломо-

довые ВОЛС.

Все распространяющиеся моды переносят одну

и ту же информацию. Но каждая мода движется по своей тра-

ектории.

Длины траекторий разные, и затрачиваемое на прохож-

дение световода время у каждой моды − свое. Появляется вре-

менная дисперсия. Поэтому к выходу из световода (т.е. на вход

оптического приемника) последовательность информацион-

ных кодовых символов (например, рис. 2.36,в

ж) приходит мно-

гократно (по числу распространяющихся мод) и всякий раз с

новой временной задержкой. Складываясь сама с собой, кодо-

вая последовательность из-за временных сдвигов искажается

серьезно затрудняет восстановление на приемной стороне пе-

редаваемого сигнала.

На рис. 3.5 изображены траектории четырех мод в ступен-

чатом световоде. Первой на вход приемника прибудет осевая

а б в

(r)

г д

Рис.3.4

44 45

плоскость

расположения

передатчика

плоскость

асположения

приемника

Рис.3.5

мода, она затратит на расп-

ространение по световоду

длиной l минимальное время:

1min

cnlt ⋅= (3.12)

Дольше всех в пути будет

мода, направленная под уг-

лом φ

КР

к оси световода:

.)cos(

21minКР1max

nntcnlt

⋅

(3.13)

Разница времен прохождения равна

21minmax

nnnclttt

∆

⋅

⋅=−

∆

(3.14)

В градиентном световоде вследствие радиальной неодно-

родности показателя преломления в сердцевине траектории

движения мод выглядят иначе, чем в ступенчатом световоде

(рис. 3.6). Из-за рефракции

траектории мод носят сгла-

женный характер, хотя по-

прежнему различаются по

протяженности. Однако чем

дальше оптическая волна от-

клоняется от оси световода,

тем быстрее она движется вдоль своей траектории (так как n

уменьшается), а при приближении к оси движение ее замедля-

ется. Это уменьшает разницу времен прохождения. Доказано,

что, если показателю преломления сердцевины n

(r) придать

параболический закон изменения:

()

[]

,)(10)(

arnrn ⋅∆−⋅= (3.15)

где n(0) – показатель преломления на оси световода (r

0), n(a) –

он же на границе с оболочкой (r

a), ,)0()(1 nan

−

∆

то для

двух групп меридиональных лучей временная дисперсия будет

отсутствовать (рис. 3.7). Оптические лучи этих групп перио-

дически фокусируются и в один момент пересекают ось свето-

вода, следовательно, по теореме Ферма они затратят на прохож-

дение световода оди-

наковое время. Если

усложнить профиль

(r) до функции ги-

перболического се-

канса

),(sech

)0()(

nrn

⋅×

(3.16)

то для всех меридио-

нальных лучей вре-

менная дисперсия ис-

чезнет.

Уменьшение временного разброса ∆t

max

–

min

положи-

тельно влияет на увеличение скорости передачи цифровой ин-

формации по световоду, так как сокращается временное уши-

рение (размывание) импульсов кодовых последовательностей.

3.2.3. Дисперсия

Дисперсия относится к числу наиболее важных недостат-

ков световода. Отрицательное действие дисперсии заключает-

ся в уширении (временном растяжении) оптических импуль-

сов, вследствие чего импульс расползается, и часть его мощности

выходит за пределы отведенного импульсу битового интервала.

Если дисперсионное уширение велико, то заметная мощность,

сосредоточенная в начале световода на временном интервале,

соответствующем «1», может к концу световода переместиться

в соседний битовый интервал, соответствующий, например, «0».

В результате приемник вынесет ошибочное решение, приняв

«0» за «1».

Различают несколько видов дисперсии в световодах: меж-

модовую (или просто − модовую), материальную, волноводную,

поляризационную.

О межмодовой дисперсии уже говорилось выше. Она

проявляется при нарушении неравенства (3.9); тогда передача

информации осуществляется несколькими модами одновремен-

46 47

Рис.3.6

(r)

Рис.3.7

(r)

плоскость

расположения

передатчика

плоскость

асположения

приемника

но. Мощность каждой моды переносится по своей траектории,

не совпадающей с траекториями других мод. Наименьшее

время на прохождение по световоду затрачивает основная мода

(ее траектория – самая короткая). Последней придет на прием-

ную сторону и доставит потребителю информацию мода выс-

шего порядка, для которой еще выполняются условия полного

внутреннего отражения. Уширение, вызванное межмодовой дис-

персией, самое значительное по сравнению с другими видами

дисперсии (обычно оно составляет несколько десятков наносе-

кунд на один километр пройденного по световоду пути и рас-

считывается по формуле (3.14)). Межмодовая дисперсия исче-

зает, если передачу информации по световоду перевести в ре-

жим распространения одной моды.

Материальная дисперсия в отличие от межмодовой пол-

ностью неустранима. Фундаментальная причина материальной

дисперсии кроется в следующем. В гармоническом поле оптиче-

ской волны

)](exp[),( zktjEtzE

mxx

⋅

−

⋅

ω⋅−⋅

(3.17)

каждая молекула среды распространения (в нашем случае – ма-

териала сердцевины световода) поляризуется, становясь гармо-

ническим осциллятором. В твердой среде плотность упаковки

молекул (атомов) велика, поэтому каждая частица среды, бу-

дучи упруго связанной с окружающими ее частицами, испыты-

вает воздействие суммарного поля последних и поля оптиче-

ской волны. В результате относительная диэлектрическая про-

ницаемость среды даже при столь упрощенном рассмотрении

носит сложный характер

,)3ψ(1

NN −ε+

(3.18)

где N – количество молекул (атомов) в единице объема; ε

– аб-

солютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; ψ – по-

ляризуемость, Ф/м.

Схематично зависимость от частоты поля средней моле-

кулярной поляризуемости (а, следовательно, и средней объем-

ной поляризации среды) имеет вид, приведенный на рис. 3.8.

Колебатель-

ное движение элек-

трического заряда в

среде под действием

поля распространя-

ющейся волны и

полей окружающих

молекул (атомов)

описывается урав-

нением

);exp(

K0K

tjEexmxmxm

⋅ω⋅−⋅⋅=⋅ω⋅+⋅γ⋅+⋅

&&&

(3.19)

здесь e, m – заряд и масса электрона; γ

– коэффициент затуха-

ния, вызванного столкновениями, радиационным излучением и

др.; ω

0К

– резонансная частота собственных колебаний заряда

(k = 1,2,…). Решение уравнения (3.19) известно:

)exp(

)(

ω⋅γ⋅−ω−ω

⋅

−

⋅

⋅=

tjE

(3.20)

И тогда относительная диэлектрическая проницаемость среды

(3.18) в силу того, что

ω⋅γ⋅−ω−ω

⋅

=ψ

(3.21)

принимает следующую частотную зависимость

)3/(

)/(

ε⋅⋅⋅−ω⋅γ⋅−ω−ω

ε⋅⋅

+=ε

meNj

meN

(3.22)

Отсюда находится комплексный показатель преломления среды:

.2])()[(

222

nnjnnn

′′

⋅

′

′′

−

′

=ε=

(3.23)

Частотная зависимость действительной (n') и мнимой (n")

частей комплексного показателя преломления показана на

рис. 3.9.

48 49

средняя поляризуемость

СВЧ ИК УФ

частота

Рис.3.8

ориентационный

резонанс

атомный

резонанс

электронный

резонанс

В качестве примера

рассмотрим чистый кварц

(SiO

) – материал, являю-

щийся основой изготов-

ления световодов. В диа-

пазоне длин волн λ

= 0.2 ÷

4 мкм, в который попа-

дает излучение всех при-

меняемых в ВОЛС полу-

проводниковых лазеров и

СИД, оптические потери

в кварце неощутимо малы (n"

≈

0), а n' хорошо аппроксимиру-

ется теоретической формулой, учитывающей три резонанса

(один в ИК и два в УФ областях спектра):

896161.9

8974794.1

1162414.0

4079425.0

0684043.0

6961663.1

1)(

−

λ⋅

−λ

λ⋅

−λ

λ⋅

′

(3.24)

Говоря о дисперсии применительно к проблеме распростра-

нения оптического излучения в световодах, необходимо отме-

тить следующее. В оптике под дисперсией понимается величи-

на dn

/d λ. В световоде временнóе уширение и искажение опти-

ческих импульсов связано не с dn

/d λ, а с другим параметром −

λ⋅d

²n /d λ². Последний и называют часто дисперсией материала.

Так как групповая скорость определяется как

ГР

dkdv ω= (3.25)

2π/λ), то в среде с дисперсией

ФГР













⋅

−=













⋅

−=

vv (3.26)

Введем групповой показатель преломления

ГРГР

vcn = (3.27)

Тогда в ступенчатом световоде с дисперсией временная за-

держка (3.14) равна

ГР1

ГР

t ∆⋅⋅=∆ (3.28)

Но

⋅λ−=

⋅ω+==

1ГР

ГР1

(3.29)

и тогда

ГР1

1ГР













⋅λ−==

nс

(3.30)

а время прохождения импульсом световода длиной l равно













⋅λ−⋅=

(3.31)

Если оптический источник генерирует излучение со спек-

тральной шириной ∆λ (рис. 2.23) около средней длины волны λ,

то временное уширение на выходе световода составит величину

⋅

∆

ddtt

(3.32)

и с учетом (3.31)

λ⋅

⋅λ∆⋅−=∆

(3.33)

Следовательно, временная продолжительность светового им-

пульса на выходе световода увеличится на

λ⋅λ⋅λ∆⋅=λ⋅λ⋅

∆

⋅=∆ dnd

dnd

t (3.34)

Модуль, входящий в последнее равенство, вместе со ско-

ростью света

)()(

λ⋅λ= dndcD

(3.35)

называют материальной дисперсией среды. На рис. 3.10 пока-

зана зависимость абсолютного значения параметра D

от дли-

ны волны для чистого кварца и кварца с примесями. Примеча-

тельно, что у чистого и примесного кварца материальная дис-

персия в небольшом диапазоне изменений λ вблизи значения

≈

1.3 мкм равна или очень близка нулю (λ

называют дли-

СВЧ

Рис.3.9

Гц

ИК

УФ

абочий

диапазон

световода

50 51

ной волны, соответствующей ну-

левой дисперсии материала).

Расчеты показывают, что на дли-

не волны излучения GaAs-источ-

ника в чистом кварце погонное

увеличение ширины импульса из-

лучения (∆t

/l) из-за материаль-

ной дисперсии составляет при-

мерно 2.5 нс/км, если в качестве

источника используется СИД

(∆λ

∼

30 нм), и 0.25 нс/км – при

использовании лазера (∆λ

∼

3 нм).

Для сравнения: увеличение ши-

рины светового импульса ∆t

/l, вызванное межмодовой диспер-

сией, равняется ≈

34 нс/км в ступенчатом световоде с оболоч-

кой и возрастает до ≈

2500 нс/км при удалении оболочки.

Волноводная дисперсия вызвана тем, что оптическая

волна, направляясь сердцевиной световода, даже при выпол-

нении условия полного внутреннего отражения выходит в

оболочку, проходит там малый участок своей траектории и

вновь возвращается в сердцевину (рис. 3.5). К дисперсии при-

водит неравенство скорости света в сердцевине и оболочке.

Волноводная дисперсия значительно слабее межмодовой, но в

одномодовом световоде она играет решающую роль.

Интересно, что в одномодовом световоде с параболичес-

ким профилем показателя преломления сердцевины волновод-

ная дисперсия на длине волны λ

положительна. Если ввес-

ти в световод оптическое излучение с λ

, то волноводная

дисперсия может быть скомпенсирована отрицательной мате-

риальной дисперсией (рис. 3.10). На более коротких волнах

(λ

≈

0.8...0.9 мкм) волноводная дисперсия приобретает отрица-

тельный знак при введении второй промежуточной оболочки

(рис. 3.4,б). Поэтому отрицательная волноводная дисперсия

может компенсировать положительную дисперсию материала.

Поляризационная дисперсия. Она обусловлена неидеаль-

ностью световода, под которой понимается следующее. В иде-

альном световоде с точной осевой симметрией геометрии и за-

висимостей n

(r), n

(r) в поперечном сечении и с сохранением

этих свойств вдоль оси даже в одномодовом режиме распрост-

раняются две волны. Они совпадают по всем параметрам, кроме

поляризаций: их поляризации ортогональны. В реальном све-

товоде при его изготовлении и прокладке всегда имеются от-

клонения от соосности сердцевины и оболочки, от

осевой сим-

метрии профиля показателей преломления n

(r) и n

(r), от не-

изменности геометрических и оптических характеристик вдоль

оси. В результате появляются так называемые оси быстрого и

медленного распространения, при ориентации векторов поля-

ризации ортогонально поляризованных волн вдоль этих осей

одна из волн распространяется быстрей другой. Статистиче-

ское уширение оптических импульсов возникает в результате

случайного изменения относительной ориентации «быстрой» и

«медленной» осей на различных (по длине) участках световода.

Если в световоде одновременно проявляется действие не-

скольких видов дисперсии, суммарный эффект уширения при

условии независимости разных видов дисперсии и гауссовой

формы импульсов, генерируемых оптическим источником, на-

ходится по правилу

МЕЖМОД

ВОЛН

МАТ

ttttt ∆+∆+∆+∆=∆

(3.36)

где ∆t

– начальная длительность импульса.

3.2.4. Ширина полосы пропускания и скорость

передачи информации

Дисперсионное «расплывание» вдоль оси времени опти-

ческих импульсов, распространяющихся по световоду, застав-

ляет увеличивать длительность битового интервала во избежа-

ние ошибки приемника при оценке информационных бит. Это

означает, что дисперсия отрицательно сказывается на важней-

шем параметре ВОЛС – скорости передачи информации. По-

скольку уширение, вызванное дисперсией, линейно растет с

увеличением длины световода, произведение

const

⋅

lB ∼

.)(

−

⋅λ∆ D

(3.37)

Рис.3.10

, пс/(км

⋅

нм)

0.8 1

1.2

1.4

мкм

−20

−40

13.5% Ge0

Si0

13.3% B

52 53

В последнем выражении

сбит,1 tB ∆≈

(3.38)

− скорость цифровой передачи информации по световоду. Ес-

ли передача осуществляется с использованием аналоговой

модуляции, пропускная способность ВОЛС оценивается

полосой пропускания

Гц,12 tf ∆=∆

(3.39)

и тогда

const2 =

⋅

∆

lf ∼

.)(

−

⋅λ∆ D

(3.40)

Нередко производители ВОЛС вме-

сто указания величины дисперсии,

приводят параметр (3.37). Графиче-

ски указанные зависимости имеют

вид гиперболы (рис. 3.11). Это озна-

чает, что если информация переда-

ется с некоторой скоростью на рас-

стояние l

, то увеличить дальность

связи до l

можно только, понизив

величину скорости:

2211

lBlB ⋅=⋅ (3.41)

Для ориентировочных расчетов одномодовых световодов

полезно использовать формулу

,)(187.02

lDfB

⋅

∆

⋅

≈

∆

≈

(3.42)

причем D

следует подставлять в с/(км⋅нм), ∆λ − в нм, l – в км.

3.2.5. Ослабление оптического излучения

Амплитуда оптического импульса по мере распростране-

ния по световоду от передатчика к приемнику уменьшается.

Иными словами, число фотонов, выводимых из световода на

выходе меньше количества фотонов, введенных на входе, и

причин тому – две. Первая причина – рассеяние, вторая – пог-

лощение.

При рассеянии световые фотоны не исчезают: как струя

воды разбрызгивается в разные стороны, встречая препятст-

вия, так и поток фотонов рассеивается, попадая на неоднород-

ности (микротрещины, пузырьки воздуха, локальные увеличе-

ния или уменьшения показателя преломления, крупные моле-

кулы и т.д.). При рассеянии не происходит превращения энер-

гии из одной формы в другую (свет остаётся светом), но коли-

чество фотонов, движущихся в направлении к приёмнику,

уменьшается. Когда мощность оптического излучения невели-

ка, рассеяние носит линейный характер (его называют упругим

рэлеевским

рассеянием). Упругое

рассеяние

проявляется

на

не-

однородностях с размером r

НЕОД

λ. Рэлей показал, что интен-

сивность упругого рассеяния пропорциональна λ

−4

. В светово-

дах ослабление по причине рассеяния наблюдается в области

длин волн λ

1.5 мкм. На участке спектра λ

0.7...1.5 мкм

именно рассеяние определяет теоретический предел ослабле-

ния излучения в световоде, равный: 2.5 дБ при λ

0.82 мкм,

0.24 дБ при λ

1.3 мкм, 0.012 дБ при λ

1.55 мкм.

В длинноволновой части спектра ослабление вызвано по-

глощением. Поглощение сопровождается исчезновением фо-

тонов и превращением энергии световых квантов в тепло. В

оптическом диапазоне волн на участке спектра вблизи λ

∼

1 мкм

фундаментальное поглощение обусловлено протяжёнными

«хвостами» ближайших ИК и УФ резонансов (рис. 3.9, зави-

симость n"(

)). Резонансы поглощения, вызванные наиболее

часто встречающимися в кварце примесями, наблюдаются на

следующих длинах волн (рис. 3.12): S

0 на λ

РЕЗ

≈

9 мкм, Ge

–

на λ

РЕЗ

≈

11 мкм, P

–

0 на

8 мкм, B

–

0 на 7.3 мкм.

Для снижения потерь

на фундаментальное погло-

щение желательно, чтобы

ИК и УФ резонансы отсто-

яли друг от друга как можно

дальше на оси длин волн.

Поэтому в первую очередь

следует уменьшать концен-

Рис.3.11

0 l

54 55

−

7 9 11 мкм

Рис.3.12

−

трацию окисла бора. Наиболее глубокий провал на кривой

n"(λ) приходится на волны λ = 1.3...1.5 мкм (рис. 3.9). В эту

область попадают резонансы поглощения паров воды и переход-

ных металлов Ni)Co,Fe,Mg,Va,(Cr, . Их присутствие в кварце

особенно нежелательно, и при изготовлении световодов конт-

ролируют концентрацию примесей перечисленных металлов

так, чтобы она составляла не более 10

−9

. На рис. 3.13 показана

зависимость потерь оптического излучения в кварцевом свето-

воде от длины волны для разных примесных окислов. Левые

ветви кривых вызваны рэлеевским рассеянием, правые − ИК-

резонансами поглощения, выбросы между ними соответствуют

поглощению света остаточными парами воды.

Помимо фун-

даментальных при-

чин ослабления оп-

тического излучения

в световоде неиз-

бежно на практике

проявляют себя гео-

метрические и кон-

структивные факто-

ры ослабления. Ра-

нее в разделе 3.1.1.

отмечалось, что по-

тери оптической мощности могут возникать в местах искрив-

ления световода в результате вытекания оптической волны из

сердцевины в оболочку. Допустимый изгиб оси световода не

должен превышать критическое значение (3.11). На практике

минимальный радиус кривизны оси световода принимается рав-

ным пяти его диаметрам. Изгибы опасны ещё и тем, что могут

приводить к появлению микротрещин как в оболочке, так и в

сердцевине. Для избежания этого принимается R

ИЗГ min

500b.

Другой фактор потерь, всегда встречающийся в жизни,

обусловлен неточностью технического исполнения узлов вво-

да-вывода оптического излучения и узлов стыковки линейных

отрезков световодов. На рис. 3.14 приведены кривые потерь при

вводе в многомодовый световод излучения СИД для трёх типов

нарушений: угловое рассогласование (рис. 3.14,а), продольное

смещение (рис. 3.14,б) и поперечное смещение (рис. 3.14,в)

светодиода относительно торца световода.

Как видно, дефекты третьего типа наиболее опасны.

Аналогично выглядят кривые потерь при нарушении

идеальных требований стыковки световодов. В разъёмных

стыках наибольшие потери, как и в узлах ввода, вызывает по-

перечное несовмещение осей световодов, причём на величину

потерь влияют разница размеров сердцевины и оболочки, не-

концентричность и эллиптичность сердцевины, различие в

профилях показателя преломления и другие. Величина потерь

в разъёмных узлах стыка может изменяться от 0 дБ до 8 дБ,

типичное значение − 2...4 дБ. В неразъёмном (например, свар-

ном) соединении потери обычно около 0.5 дБ.

3.2.6. Оптимальная длина волны для ВОЛС

В предыдущих разделах показано, что минимальное дис-

персионное уширение оптических импульсов (а, значит, мак-

симальная скорость передачи информации) и минимальное ос-

лабление сигналов (и, следовательно, наибольшая дальность

связи) достигаются на разных длинах волн оптического излу-

чения. Поэтому с практической точки зрения важен вопрос:

как правильно выбрать рабочую длину волны ВОЛС?

В световодах с малым уровнем потерь минимумы ослаб-

ления наблюдаются на длинах волн 0.9 мкм, 1.0 мкм, 1.2 мкм,

по

ери,

по

ери,

∆

мкм

по

ери,

дБ

∆

∆x,

мкм

а б в

Рис.3.14

56 57

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Рис.3.13

0.5

потери, дБ/км

, мкм

GeO

−

GeO

1.3 мкм и 1.55 мкм. Если в процессе изготовления световода

удаётся избавиться от примеси паров воды в исходном мате-

риале сердцевины и оболочки, то наиболее глубокие провалы на

зависимости «потери - длина волны» останутся на λ

= 1.3 мкм и

1.55 мкм. Вывод о выборе оптимальной длины волны сде-

лаем, сопоставляя результаты численных расчётов конкретных

примеров. Рассчитаем зависимость расстояния между ретранс-

ляторами (L

РЕТР

) от скорости передачи данных при следующих

исходных данных:

тип световода − многомодовый (ступенчатый, градиент-

ный), одномодовый;

длина волны − 0.9 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм;

источник излучения − светодиод, лазер;

межмодовая дисперсия − 10 нс/км (ступенчатый свето-

вод), 0.5 нс/км (градиентный), 0 нс/км (одномодовый);

материальная дисперсия – 70 пс/(км⋅нм) (для λ

0.9 мкм),

2 пс/(км⋅нм) (для λ

1.3 мкм), 20 пс/(км⋅нм) (для λ

1.55 мкм);

потери на укладку и сращивание световодов – 2 дБ/км (для

0.9 мкм), 1.0 дБ/км (λ

1.3 мкм), 0.5 дБ/км (λ

1.55 мкм);

потери в разъёмах и вследствие старения – 10 дБ;

минимально допустимая мощность на фотодетекторе –

0.1 нВт/(Мбит/c).

На рис. 3.15 графически представлены результаты расчё-

тов для ВОЛС с СИД в качестве источника излучения. СИД

передаёт в световод 50 мкВт (−13 дБм) оптической мощности.

Спектральная ширина излучения составляет ∆λ/λ

0.04.

Оцифрованными стрелками отмечены скорости передачи

данных для европейского стандарта иерархии аппаратуры вре-

менного объединения цифровых сигналов. Нижняя кривая (по-

зиция 1

) относится к кварцевому световоду с оболочкой из поли-

мера; верхняя группа из трех кривых (3) − к градиентному свето-

воду; средняя кривая (2) − к ступенчатому световоду. Видно,

что при низкой скорости передачи информации (В

10 Мбит/c;

первый и второй уровни иерархии аппаратуры) предпочти-

тельна λ

1.55 мкм (в градиентном световоде), позволяющая

разносить соседние ретрансляторы на расстояние до 100 км.

Но при повышении

скорости передачи ин-

формации В до зна-

чений, соответствую-

щих аппаратуре 4-го

и 5-го уровней иерар-

хии, оптимальной ста-

новится λ

1.3 мкм

(градиентный свето-

вод). В соответствии с

зависимостью (3.41)

(рис. 3.11) L

РЕТР

при

этом уменьшается до единиц километров. На пологих участках

кривых ограничение связано с потерями, на наклонных − с

межмодовой дисперсией.

На рис. 3.16 аналогичные зависимости приведены для

ВОЛС, в которой источником излучения служил лазер, вводящий

в световод излучение мощностью 1 мВт (0 дБм) со спектральным

качеством ∆λ/λ

0.004. Качественный вид зависимостей похож

на демонстрируемые рис. 3.15.

Пониженная спектральная ши-

рина излучения, свойственная лазерному источнику, сказалась

на более высоком расположении кривых, относящихся к сту-

пенчатому и градиентному световодам. Малое ∆λ/λ и, следова-

тельно, ослабленное дисперсионное уширение привели к тому,

что для всех трех длин волн кривые, соответствующие градиент-

ному световоду, сли-

ваются в одну. Выше

нее располагаются

кривые для одномо-

дового световода (по-

зиция 4), и наиболь-

шая дальность связи

с наиболее высокой

скоростью передачи

данных достигается,

если в передатчике

применить лазер, ра-

58 59

2 8 34 140 565

0.1 1 10

100 1000

Рис.3.15

100

0.1

РЕТР

, км

B, Мбит

1.3мкм

0.9мкм

1.55мкм

2 8 34 140 565

0.1 1 10

100 1000

Рис.3.16

100

0.1

РЕТР

, км

B, Мбит

2 3

1.3мкм

1.55мкм

0.9мкм