Урядов В.Н. Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

мм

(1.13)

а при )21(2 Δ−=

опт

q она достигает минимального значения, равного

мм

(1.14)

Отличие времени распространения каждой из направляемых мод, образующих

сигнал, от частоты спектра источника оптического излучения приводит к

возникновению так называемой хроматической (частотной) дисперсии, которая, в

свою очередь, складывается из внутримодовой (волноводной) дисперсии и

материальной дисперсии.

Первый тип дисперсии обусловлен направляющими свойствами сердцевины ОВ,

а именно зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического

излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных

составляющих излучаемого спектра. Поэтому внутримодовая дисперсия в первую

очередь определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна

ширине спектра излучения источника

Δ , т.е.

)(

⋅⋅

= , (1.15)

где )(

M — удельная внутримодовая дисперсия.

Второй тип дисперсии вызван зависимостью показателя преломления

сердцевины от длины волны )(

n , что, как и в предыдущем случае, приводит к

различным скоростям распространения спектральных составляющих источника

излучения. Возникающая при этом различная задержка частотных составляющих

распространяющегося в ОВ излучения определяет дисперсию материала, которая

равна

λλτ

Δ=⋅⋅Δ=

)(

мат

. (1.16)

Здесь следует отметить, что материальная дисперсия кварцевого ОВ при

определенной частоте имеет нулевое значение, так как при длине волны

=1,28 мкм

она изменяет свой знак. Эта точка носит название точки нулевой материальной

дисперсии. Очевидно, что, изменяя соотношение между модовой и материальной

дисперсией, точку нулевой дисперсии можно перемещать в небольших пределах

(рис. 1.6). В общем виде дисперсия на участке волокна длиной будет равна Λ

222

)(

матвммхрмм

ττττττ

++=+=

, (1.17)

где

мм

матвхр

+= — расширение импульса на выходе ОВ относительно

импульса, поданного на его вход, имеющее место в результате межмодовой и

хроматической дисперсии соответственно.

Рис. 1.6. Зависимость материальной, волноводной, результирующей

дисперсии от длины волны.

В нормальных условиях материальная дисперсия преобладает над

волноводной, причем обе ее составляющие могут иметь противоположный знак и

различаться характером зависимости от длины волны. В ряде случаев это позволяет

оптимизировать профиль показателя преломления волокна путем минимизации

суммарной дисперсии на определенной длине волны за счет взаимной компенсации

материальной и волноводной дисперсии. Известно, что для кварцевых ОВ минимум

затухания соответствует длине волны 1,55 мкм и при больших скоростях передачи

дальность связи на этой длине волны может ограничиваться дисперсией, поэтому

для ее снижения осуществляется выбор соответствующего профиля показателя пре-

ломления ОВ. Так как хроматическая дисперсия зависит от длины световой волны и,

следовательно, от ширины спектра источника оптического излучения, она

нормируется в )./( кмнмnc ⋅

В качестве примера на рис. 1.7 представлены зависимости хроматической

дисперсии и ее составляющих от длины волны для различных типов профиля

показателя преломления одномодовых ОВ. Как следует из данного рисунка,

обычное одномодовое волокно не обеспечивает малой дисперсии для

=1,55 мкм,

поэтому были разработаны ОВ со смещенной (Dispersion Shifted) или сглаженной

(Dispersion Flattened) дисперсией, которые отличаются конфигурацией профиля

показателя преломления. В результате исследований волокон со смещенной дис-

персией было показано, что наилучшие показатели обеспечивают волокна с

треугольным профилем, так как они обладают самофокусирующими свойствами и

удерживают распространяющиеся лучи в небольшом объеме, прилегающем к оси

ОВ.

Рис. 1.7. Зависимость дисперсии от длины волны оптического

излучения одномодовых ОВ

Так как оптические волокна со смещенной дисперсией обеспечивают

минимальную дисперсию только на одной длине волны, это затрудняет применение

мультиплексирования для работы на нескольких оптических несущих в окне

прозрачности ОВ. Поэтому с целью минимизации дисперсии во всем окне

прозрачности используют волокна со сглаженной дисперсией, которые также

выполняются с различными профилями показателей преломления.

Существует множество типов профилей показателей преломления одномодовых

оптических волокон, которые, помимо требуемой минимизации хроматической

дисперсии, обеспечивают также необходимые механические характеристики,

минимизацию рэлеевских потерь, технологичность производства и прокладки ОВ и

т.д.

Сравнивая различные ОВ по их дисперсионным характеристикам, можно

отметить, что лучшими в этом плане являются одномодовые волокна и градиентные

волокна с плавным законом изменения показателя преломления, хотя градиентные

волокна имеют худшие характеристики по сравнению с одномодовыми.

1.7 Характеристики волокон

• Волокна в соответствии с их качеством могут быть расставлены в следующем

порядке:

• Пластиковые PCS

• Стекло со ступенчатым индексом

• Волокно со сглаженным индексом

• Одномодовое волокно

• Чем меньше размер ядра, тем лучше качество.

• Стеклянное волокно лучше пластикового.

Отметим, что такого рода классификация ни в коей мере не исключает более

детальной классификации и не претендует на исчерпывающее изложение предмета.

Волоконно-оптический кабель должен соответствовать конкретным требованиям.

При передаче только нескольких тысяч битов в секунду на несколько метров

достаточно использовать пластиковый кабель. Пластиковое волокно дешевле, так же

как и совместимые с ним компоненты: источники, детекторы и соединители.

Использование одномодового волокна для таких задач походило бы на

использование "Феррари" для поездки в соседний магазин. Выбор волокон с

заведомо худшими характеристиками определяется конкретной задачей. Каждое

волокно хорошо по-своему.

Таблица 1. Типичные характеристики волокон.

1.8 Кабели из оптических волокон

Были предложены и испытаны многие типы кабелей. Их можно разделить на три

основные категории: 1) ленточная структура, 2) классическая структура, 3) цилиндриче-

ская желобковая структура.

Разумеется, в конкретных случаях возможны комбинации разных структур.

Упомянем также о пучках волокон (жгутах), которые исторически были

использованы первыми. Но вследствие их низких качеств при передаче оптических

сигналов, а также низкой механической прочности теперь ими пользуются только для

освещения.

Волокно в защитной оболочке обладает механической прочностью,

позволяющей применять обычные способы изготовления кабеля: волокна

располагаются вокруг центральной жилы при помощи специального сборочного

механизма. Можно разместить на одной центральной жиле один или несколько слоев

волокон (рис. 1.8) или собрать кабель из нескольких многожильных элементов (рис.

1.9).

Рис. 1.8. «Классический» кабель из

6 оптических волокон.

1 — полиэтиленовая оболочка; 2—

алюминиевая трубка: 3 — медный

несущий стержень или стеклянное

волокно с покрытием; 4 — оптическое

волокно с защитным покрытием.

Рис. 1.9 «Классический» кабель,

образованный 6 «многожильными»

сборками из оптических волокон. /

— полиэтиленовая оболочка; 2 —

центральный металлический

стержень; 3 — сборка из

оптических волокон; 4 — опти-

ческое волокно с защитным

покрытием; 5 — алюминиевая

трубка.

Наружная оболочка кабеля должна быть рассчитана на рабочие условия (проводка

по трубе, прокладка в земле и т. п.), и ее материал следует выбирать, исходя из

предполагаемых внешних воздействий.

Основные преимущества кабелей такого типа: волокно хорошо защищено,

повышенная механическая прочность на разрыв, на сжатие и т. д., хорошо известны

технология изготовления и оборудование, довольно высокая температурная

стабильность.

Из недостатков отметим следующие: громоздкость, поскольку упрочняется

каждое отдельное волокно; высокая стоимость производства ввиду малой длины

отрезков кабеля; необходимость предварительного удаления оболочки при

индивидуальном соединении волокон.

Этот тип оптического кабеля, разработанный фирмой Bell Laboratories высокую,

допускает весьма высокую плотность волокон в заданном поперечном сечении. Из

волокон составляется матрица т X n.

Матрица подразделяется на строки-ленты, которые легко накладываются друг на

друга.

Лента состоит из уложенных параллельно n волокон, причем шаг между

волокнами равен нескольким сотням микрометров. Волокна располагаются между

двумя листами пластмассы, каждый из которых состоит из двух слоев: слоя

полиэтилена с низким модулем упругости, который при нагревании прилипает к

волокнам, и слоя полиэфира с высоким модулем упругости, который обеспечивает

жесткость всей сборки (рис.1.10).

Рис. 1.10. Ленточный кабель в разрезе.

1 — слой полиэфирной пластмассы; 2

— граница двух слоев; 3 —

полиэтиленовый слой; 4 — оптическое

волокно.

Если наложить друг на друга т таких лент, то получим матрицу т X n, которую

затем скручивают и вводят как спираль в крепкую оболочку, армированную кордом

с высоким сопротивлением на разрыв, который воспринимает внешние нагрузки,

сохраняя матрицу неизменной.

Преимущества подобной структуры таковы:

1) возможность повышенной плотности упаковки волокон (пример: описанный

кабель содержит 12X12=144 волокна при общем диаметре 12 мм);

2) возможность одновременного присоединения всех т X n волокон;

3) меньшая стоимость, поскольку защита n волокон достигается одной

операцией.

Из недостатков следует отметить:

1) наличие риска ломки волокон при изготовлении;

2) плохое распределение нагрузки на волокна при разных воздействиях на

кабель: изменение затухания в волокне в этом случае будет сильно зависеть от

положения волокна в матрице;

3) влияние температуры на столь компактную и неоднородную структуру;

4) сложность одновременного соединения т X n волокон.

Иная разновидность ленточного кабеля (рис. 1.11), где лента образована

ячейками из алюминия, позволяет избавиться от этих недостатков.

В этом случае центральной часть кабеля является сердечник с желобами

(пазами) в виде винтовой спирали, в которых в ненатянутом состоянии

располагаются волокна, предварительно покрытые защитной оболочкой (рис. 1.12).

Рис. 11.4. Разновидность ленточного

кабеля.

/ — лента из полиана; 2 — канал; 3

— оптическое волокно без второго

защитного покрытия; 4 — алюминиевая

трубка; 5 — полиэтиленовая оболочка.

Рис. 11.5. Кабель

цилиндрической же-лобковой

структуры в разрезе.

/ — защитная лента; 2 —

защитная оболочка; 3 — оптическое

волокно без второго защитного

покрытия; 4 — центральный не-

сущий стержень; 5 —

пластмассовый сердечник.

Желобковая цилиндрическая структура кабеля сочетает преимущества двух

описанных выше: меньшая громоздкость, ограниченное число манипуляций с

волокнами в процессе изготовления; возможность обеспечить одновременную

защиту многим волокнам, что снижает стоимость. Преимуществом также является

то обстоятельство, что волокно легко поддается фиксации в структуре, а также

относительная легкость соединения сразу всех волокон каждого сердечника.

Следует, однако, напомнить о необходимости производить операции с волокном без

вторичного покрытия, о хрупкости волокон, ближайших к внешней оболочке

кабеля, о необходимости располагать специальными сборочными механизмами.

2. ОПТИЧЕСКИЕ РАЗЪЕМЫ, СРОСТКИ И ПАССИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ

УСТРОЙСТВА

2.1. Введение

Цель этой главы — описать различные пассивные устройства, используемые в

волоконно-оптических сетях. Существует пять основных типов волоконно-

оптических сетей:

1. Глобальные сети (с большой длиной пролета) общего или частного

пользования.

2. Офисные сети и сети масштаба предприятия, называемые также

внутриобъектными сетями.

3. Местные распределительные сети, включающие сети кабельного теле-

видения (КТВ), в частности, сети, использующие гибридные (с медными и

оптическими жилами) кабели.

4. Региональные сети (класса «Метро», MAN), осуществляющие передачу

данных аналогично тому, как это делается в сетях масштаба предприятия: сети либо

доставляют данные локально, либо передают потоки данных по всему региону.

5. Сети специального назначения, обычно передающие сигнал на очень

короткие расстояния.

Каждый тип сети требует использования определенного числа как общих, так и

специальных типов пассивных устройств. Например, кабельные телевизионные сети

широко используют разветвители.

WDM/DWDM сети используют широкую номенклатуру специальных пассивных

устройств. Мы опишем их в соответствующей главе о WDM.

В этой главе мы в первую очередь опишем волоконно-оптические соединители

(оптические разъемы) и неразъемные соединения (сростки). Также будут

рассмотрены следующие пассивные устройства:

• оптические разветвители, расщепители сигнала (сплиттеры), элементы

разветвления потока;

• оптические изоляторы;

• волоконно-оптические фильтры;

• оптические аттенюаторы;

• оптические (пассивные) коммутаторы;

• пассивные компенсаторы (хроматической) дисперсии;

• оконечные (терминирующие) элементы.

Каждое устройство, используемое в схеме передачи светового сигнала, является

источником вносимых потерь. Оно также будет источником отражений, обычно

характеризуемых потерями на отражение. Эти потери обычно измеряются в

децибелах. За исключением аттенюаторов, хотелось бы иметь как можно более

низкие вносимые потери и как можно более высокие потери на отражение

(возвратные потери). Например, хочется иметь сростки с уровнем вносимых потерь

меньше, чем 0,1 дБ, но с уровнем возвратных потерь больше, чем 40 дБ.

2.2. Основные определения

2.2.1. Элемент, ответвляющий поток (неселективный по отношению к длине

волны)

Ответвителем является неселективный пассивный элемент, обладающий тремя

или более портами и распределяющий мощность между ними в определенном

соотношении без какого-либо усиления, переключения или какой-то модуляции.

2.2.2. Оптический разветвитель (сплиттер — комбайнер)

Термин разветвитель используется как синоним элемента ответвляющего поток.

Он используется также для определения структуры, распределяющей оптическую

мощность между двумя оптическими волокнами или между активным устройством

и волокном.

2.2.3. Аттенюатор

Аттенюатор — пассивный элемент, осуществляющий управляемое ослабление

сигнала в волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП).

2.2.4. Волоконно-оптический фильтр

Фильтр — пассивный элемент, используемый для модификации проходящего

через него оптического излучения, как правило, за счет изменения спектрального

распределения мощности. В частности, волоконно-оптические фильтры обычно

используют для отсечения или поглощения оптического излучения в определенных

областях длин волн и пропускания излучения на других длинах волн.

2.2.5. Волоконно-оптический изолятор

Изолятор — оптическое устройство, не обладающее свойством взаимности,

предназначенное для подавления обратного отражения в ВОЛП и имеющее

минимальные вносимые потери в прямом направлении.

2.2.6. Волоконно-оптический терминатор

Терминатор (оконечный элемент) — элемент, используемый для терминирования

оптоволокна (оконцованного или нет) с целью подавления отражения.

2.2.7. Волоконно-оптический переключатель (коммутатор)

Переключатель (коммутатор) — пассивный элемент, имеющий один или больше

портов, которые передают, блокируют или перенаправляют оптическую мощность в

одно из волокон ВОЛП.

2.2.8. Пассивный компенсатор (хроматической) дисперсии

Компенсатор — пассивный элемент, используемый для компенсации хроматической

дисперсии одного из оптических трактов.

2.2.9. Волоконно-оптический соединитель(оптический разъем)

Оптический разъем — элемент, прикрепленный к одному из оптических кабелей или

отдельной части оборудования для осуществления частых соединений/разъединений

оптических волокон или кабелей.

2.2.10. Сращивание оптических волокон

Сращивание — постоянное (неразъемное) или полупостоянное (разбираемое, с

технологическим зазором) соединение между двумя оптическими волокнами,

осуществляемое для объединения их оптических потоков. Различают:

• сварное соединение: сращивание, при котором концы волокна соединяются в

постоянное непрерывное соединение с помощью сварки;

• механическое соединение: сращивание, при котором концы волокна соединяются

в постоянное соединение без помощи сварки.

2.3. Определение функциональных параметров

2.3.1. Вносимые потери (IL)

Вносимые потери — уменьшение оптической мощности между входным и

выходным портами пассивного элемента в дБ, определяемое как

),/log(10

PPIL = (2.1)

где — оптическая мощность, вводимая во входной порт, а , — оптическая

мощность, полученная из выходного порта.

Замечание 1. Для волоконно-оптического элемента ветвления они соответствуют

элементу (где

i ≠ ) логарифмической матрицы передачи.

Замечание 2. Для устройства WDM они соответствуют элементу (где

≠

)

логарифмической матрицы передачи и должны быть определены для каждой

рабочей длины волны.

Замечание 3. Для волоконно-оптического переключателя (коммутатора) они

соответствуют элементу (где

≠

) логарифмической матрицы передачи и зависят

от состояния переключателя (коммутатора).

Замечание 4. Для волоконно-оптического фильтра они должны быть определены

для каждого рабочего диапазона длин волн.

Вносимые потери являются отношением оптической мощности, подаваемой на

входной порт соответствующего оптического устройства, к оптической мощности,

излучаемой из любого выходного порта, выраженной в дБ. Вносимые потери

включают такие параметры, как потери на разветвление, в случае разветвителей, для

других устройств ветвления мы используем понятие дополнительные потери. Эти

потери являются наиболее полезными параметрами при проектировании систем.

Максимальные и минимальные вносимые потери являются соответственно верхним

и нижним пределами вносимых потерь рассматриваемого устройства и

применяются во всем диапазоне длин волн, определенном для данного фильтра. Под

типичными вносимыми потерями понимается ожидаемое значение вносимых

потерь, измеренное для определенной центральной длины волны. Институт IEEE

определяет вносимые потери, как «полные потери оптической мощности,

вызванные внесением/наличием такого оптического элемента, как оптический

разъем, сросток или разветвитель».

2.3.2. Возвратные потери (RL)

Возвратные потери — часть входной мощности, которая возвращается из

входного порта пассивного элемента. Они определяются, как