Презентация на тему Параметры передачи оптических волокон

теория света. Т.е. свет рассматривается как электромагнитная волна определенной

длины. Для ее транспортировки используются изолированные оптически прозрачные среды. В однородной среде электромагнитная волна распространяется прямолинейно, однако на границе изменения плотности среды ее направление и качественный состав меняются.






Виллеброрд Снелл (Снеллиус) (нидерл. Willebrord Snel van Royen; 1580, Лейден — 30 октября 1626, Лейден) — голландский математик, физик и астроном.

определяться числовой апертурой.









Причем, чем больше числовая апертура, тем больше

лучей попадет в ОВ, и тем больше будет разница во времени их прохождения волокна длиной L/

вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором

свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну, формулой:

Фирмы - изготовители волокна экспериментально измеряют угол ΘА и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокна.
Числовая апертура определяется для:
• оптических волокон со ступенчатым ППП по формуле:

• оптических волокон с градиентным ППП по формуле:

Нормированная частота. Этот параметр, определяющий число мод, равен:
где λ - длина волны, мкм.
Если 0<ν<2,405, то режим работы волокна одномодовый, если ν>2,405 - многомодовый. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и тем меньшее расширение получают оптические импульсы.
Соответственно увеличивается коэффициент широкополосности ОВ.
Таким образом, одномодовое (ОМВ, англ. SMF – single mode fibre) может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое (MМВ, англ. MMF – multi mode fibre).

Этот параметр используется при анализе ОМВ. В ММВ размер сердцевины

принято оценивать диаметром (2а), в одномодовых волокнах – с помощью диаметра модового поля (dМП). Это связано с тем, что энергия основной моды в ОМВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее приграничную область. Поэтому dМП более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды. Величина dМП является важной при стыковке волокон между собой, а также при стыковке источника излучения с волокном. Этот параметр численно равен удвоенному расстоянию от оси волокна до той точки, где плотность оптической мощности падает в 2,72 раза по сравнению с максимальным значением.

Диаметр модового поля.

одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр

характерен для одномодового волокна. Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. По ГОСТу различают волоконную длину волны отсечки (λCF) и кабельную длину волны отсечки (λCCF). Первая соответствует слабо напряженному волокну. На практике же волокно помещается в кабель, который при прокладке испытывает множество изгибов. Кроме этого, сильные искривления волокон происходят при их укладке в сплайсбоксах. Все это ведет к подавлению побочных мод и смещению λCCF в сторону коротких длин волн по сравнению с λCF. λСF для ступенчатого ОМВ определяется выражением вида:

Длина волны отсечки (cutoff wavelength)

системах связи оптическое волокно (ОВ) было многомодовым. Для объяснения

этого термина обратимся к рисунку
Ступенчатое ОВ

В состав оптоволокна входят:
1 - сердцевина – n1
2 - оболочка – n2
3 - защитная оболочка
n1 › n2 всегда!

показателями преломления n1 и n2 соответственно, где n1> n2.

Хорошо известно, что луч света, падающий под углом q на границу раздела двух сред с различными показателями преломления n1 и n2 испытывает явления преломления и отражения. В случае, когда n1> n2 возможна ситуация, при которой свет полностью отразится от границы раздела, т.е. будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения. Условием возникновения этого эффекта является выполнение неравенства θ < θс , где θс - критический угол, определяемый из выражения

разработано многомодовое волокно с градиентным показателем
преломления. В таком волокне

значение показателя преломления сердцевины плавно изменяется от центра к краям, по закону



где Δ = (n1-n2)/n1, a - радиус сердцевины ОВ.
 

и оболочки которого выбраны таким образом, что в нем

может распространяться только одна мода.
Существует несколько разновидностей одномодовых оптических волокон (ООВ) соответствующих рекомендациям МСЭ-т и стандартизованных.

Стандартизация занимает важное место в телекоммуникационной индустрии.


Наличие стандарта на тот или иной вид продукции и услуг существенно облегчает взаимоотношения производителя и потребителя, способствует повышению качества товара и внедрению новых технологий.

одномодовое оптическое волокно

полосы пропускания и дальности передачи сигнала привела к необходимости

применения одномодового оптического волокна, в нем может распространяться только одна мода.
Явление межмодовой дисперсии в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается хроматической дисперсией. Стандартное одномодовое волокно предназначено для работы в диапазоне длин волн 1,285-1,330,, в котором величина хроматической дисперсии в оптическом волокне достигает минимального, близкого к нулю значения, а также 1,55 мкм.

Структура одномодового
оптического волокна

волокон, перечень основных характеристик и параметров одномодовых волокон, а

также методов измерения и контроля этих параметров.
Стандарт G.651
Стандарт G.651 распространяется на многомодовое оптическое волокно с диаметром сердцевины 50 мкм и оболочки 125 мкм (ступенчатые ОВ). Этот тип волокна в настоящее время используется только в коротких, внутриобъектовых ВОЛС с рабочей длиной волны 0,85 и редко 1,31 мкм.
Стандарт G.652
Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией (получило широкое распространение с 1983 года). Его параметры оптимизированы для диапазона длин волн 1,31 мкм, в котором волокно имеет нулевую хроматическую дисперсию и минимальное затухание. Диаметр световедущей жилы волокна — G.652 равен 9 мкм, а оболочки — 125±2 мкм. Это волокно используется для одноволновой передачи и спектрального уплотнения, в диапазоне длин волн 1,55 мкм и обеспечивает передачу информации со скоростями до 10 Гбит/с на средние расстояния (до 50 км).

Классификация типов волокна согласно рекомендациям МСЭ-Т.

нулевой дисперсией в области λ=1,55 мкм. Это волокно имеет

нулевую дисперсию в области минимальных потерь волокна, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданному распределению коэффициента преломления по диаметру жилы.
Волокно типа G.653 используется в протяженных магистральных широкополосных линиях и сетях связи, оно обеспечивает передачу информации на несколько сотен километров со скоростями до 40 Гбит/с. Однако по нему можно передавать только один спектральный канал информации, то есть оно не может быть использовано в волоконно-оптических системах и сетях, в которых применяются волоконно-оптические усилители и плотное оптическое спектральное мультиплексирование (DWDM-технологии).

волокна, имеющего минимальные потери на λ=1,55 мкм. Это волокно

было разработано для применения в подводных ВОЛС. За счет больших, чем у волокна стандарта G.653 размеров световедущей жилы, оно позволяет передавать более высокие уровни оптической мощности, но в то же время обладает более высокой хроматической дисперсией в диапазоне λ=1,55 мкм. Волокно типа G.654 не предназначено для работы на какой-либо другой волне излучения кроме λ=1,55 мкм.

смещенной ненулевой дисперсией — NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber).

Это волокно предназначено для применения в магистральных волоконно-оптических линиях и глобальных сетях связи, использующих DWDM-технологии в диапазоне длин волн 1,55 мкм.
Волокно — G.655 имеет слабую, контролируемую дисперсию в С полосе (l=1,53-1,56 мкм) и большой диаметр световедущей жилы по сравнению с волокном типа G.653. Это снижает проблему четырехволнового смешения и нелинейных эффектов и открывает возможности применения эффективных волоконно-оптических усилителей.
Вышеприведённая классификация оптических волокон по их основным характеристикам дана с точки зрения пользователя. Однако следует иметь в виду, что у производителей и поставщиков может быть своя классификация и маркировка, связанная с особенностями производства. Тем не менее, данные материалы помогут потребителям правильно сориентироваться при выборе ВОК для строительства новых и расширения действующих ВОЛС.

волны не совсем идентичны и могут различаться по направлению

распространения. Единичная независимая траектория распространения волны именуется модой. Очевидно, что луч, направленный параллельно оси световода проходит меньшее расстояние, нежели луч распространяющийся по траектории ломаной за счет эффекта отражения. Как следствие, лучи достигнут конца сердечника. Изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, входящих в световод под разными углами. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разные моменты.
Именно этот разброс времени и называется межмодовой дисперсией.

волны, а некоторое их количество, определяемое спектром излучения -

Δλ. Согласно законам физики более короткие волны распространяются быстрее, а следовательно волны достигают конца световода в разные моменты времени. Если изначальный световой импульс содержит некоторое множество входящих в световод волн с разной частотой, то он раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время.
Именно этот разброс времени и называется межчастотной дисперсией.

от частоты, но и от плотности среды распространения. Показатель

преломления – n, при более тщательном рассмотрении, зависит от длины волны. Вследствие этого волны, имеющие разную длину, обладают разными скоростями распространения и оказываются в приемнике в разное время.
Очень часто объединяют последние два понятия под термином хроматическая дисперсия. Наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.

длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит

дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:



Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:


где введены коэффициенты M(l) и N(l) - удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а Δλ(нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения.
Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D(λ) = M(λ) + N(λ). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм*км).

коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и

отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M(λ) и N(λ), а результирующая дисперсия D(λ) обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии λ0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться λ0 для данного конкретного волокна.

с областью минимальной хроматической дисперсии. Параметры этого оптического волокна

регламентируются рекомендацией G.653 МСЭ-Т. Волокно со смещенной дисперсией хорошо совместимо с оптическими усилителями, поскольку интервал длин волн в котором оптическое волокно имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на эрбиевом волокне.
Такой тип волокна предпочтителен для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка, без применения технологий оптического уплотнения. Возможно также применение этого оптического волкна в системах со спектральным уплотнением (WDM) при ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных компонент

Одномодовое волокно со смещённой нулевой дисперсией в область 1,55 мкм - длина волны (DS)

использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке нового типа

оптических волокон.
При использовании технологии DWDM в оптическое волокно одновременно вводится большое количество (до 100) оптических каналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других информационный поток, но при этом накладываются определенные требования на само оптическое волокно.
Это отсутствие искажений сигнала передаваемого каждой спектральной компонентой по отдельности, что эквивалентно отсутствию хроматической дисперсии.
В случае отсутствия хроматической дисперсии возникает проблема нелинейных эффектов, обусловленная высокой мощностью оптических сигналов в волокне.

Одномодовое оптическое волокно со смещённой ненулевой дисперсией (NZDS).

четырехволнового смешения, приводящий через взаимодействие отдельных спектральных компонент со

средой (сердцевиной ОВ) к взаимодействию спектральных компонент друг с другом.
Эффект четырехволнового смешения приводит к тому, что после прохождения DWDM-сигналом определенной длины волокна возникают компоненты на кратных частотах, т. е. становится невозможным демультиплексирование сигнала.

Модификация профиля показателя преломления увеличивает волноводную составляющую дисперсии и приводит к уменьшению эффекта четырехволнового смешения

Меняя форму профиля показателя преломления (глубину провалов), существует возможность создавать NZDS-волокна как с положительной, так и с отрицательной величиной дисперсии, что открывает возможность сбалансировать дисперсию в оптической линии без использования дополнительных устройств.

большой протяженностью регенерационного участка с DWDM уплотнением сигнала. Рабочий

диапазон для этих оптических волкон 1,530-1,565 мкм, уровень хроматической дисперсии в рабочем диапазоне 0,1-6 пс/нм*км.
Такой уровень дисперсии достаточно низок для того, чтобы обеспечить скорость передачи до 10 Гбит/с в каждом спектральном канале, и в то же время достаточно высок для эффективного подавления нелинейных эффектов при использовании DWDM-технологий. Даже без использования DWDM-технологии этот тип волокон обеспечивает большую пропускную способность и протяженность регенерационного участка, чем стандартное одномодовое волокно.
Интересной особенностью данного типа волокна является возможность получения волокон с одинаковой по величине, но разной по знаку дисперсией (NZDS+ и NZDS- волокна), что дает возможность построения линий со скомпенсированной, близкой к нулю дисперсией, без применения дополнительных устройств.
На сегодняшний день выпуск волокон со смещенной ненулевой дисперсией налажен тремя фирмами - Fujikura, Lucent Technology и Corning,

прохождения 25 км искажен четырёхволновым смешением.
Волокно со смещённой,но ненулевой

дисперсией.
Спектр сигнала после прохождения 50 км

его передаче по волокну. Затухание волоконного световода обуславливается главным

образом физическими процессами - поглощением и рассеянием. 
Потери состоят из собственного поглощения αс в материале сердечника и поглощения из-за наличия в сердечнике примесей αпр.  
Рассеяние относится к свету, отклонённому с пути, по которому он распространяется. При рассеянии света в волокне, лучи расходятся в новых направлениях, и часть из которых имеет угол, превышающий предельный угол полного внутреннего отражения волокна. Эти лучи уходят из сердечника волокна в окружающее его вещество, а другие остаются в сердечнике, но изменяют направление - начинают распространяться назад к источнику.
Частично рассеяние неизбежно для волокна (Релеевское рассеяние).
Частично вызывается изгибами волокна и неоднородностями в волокне, вызванными процессом производства.  
Полный коэффициент затухания световода определяют из формулы α=αс+αпр+αр+αк , где αпр - учитывает потери за счет примесей, αс - собственное поглощение, αр - потери на рассеивание, зависящие от материала световода и рабочей длины волны, αк - кабельные потери, возникающие из-за различных нарушений геометрии световода (соединения, изгибы, микроизгибы).   Потери волокна зависят от длины волны оптического излучения и минимальны в диапазоне от 800нм. до1700нм

Потери в оптических волокнах.

интенсивности) на единичной длине световода, выраженной в децибеллах на

километр (дБ/км):
B=10lg(Pвх/Pвых)/L ;
Pвх и Pвых мощности светового излучения на входе и на выходе световода длиной L, измеряемой в км.
Причинами потерь являются различные виды поглощения света в сердцевине волокна, а также вытекание лучей из сердцевины в оболочку и потери в оболочке.

длины волны: Bрел=æрелλ-4
Собственное межзонное поглощение. Заметно лишь в коротковолновой

области λ < 0,6 мкм.
Поглощение на колебаниях решетки: ограничивает пропускание световода с длинноволновой стороны спектра.
Примесное поглощение. Полосы примесного поглощения элементов группы железа (Fe+2, Cr+2, Cu+2, Ni+2) попадают в область наивысшей прозрачности кварцевого волокна. Заметное примесное поглощение, от которого трудно избавиться в кварцевом волокне, обусловлено гидроксильной группой (OH).  
Кроме указанных причин затухание света может быть связано, как с качеством изготовления световода, так и с условиями его эксплуатации. Среди них: технологические разбросы параметров световода (эллиптичность сердцевины, флуктуации ее диаметра и показателя преломления); явления связанные с дефектами эксплуатации (микроизгибы, микротрещины, механические напряжения, в том числе вследствие флуктуаций температуры и т.п.); явления связанные с деградаций (старением) и действием ионизирующего излучения. В современных волоконных световодах эти потери могут быть сведены до минимума и заметных деградационных явлений в них за период эксплуатации не наблюдается.

Характеристики волокон по Рекомендации G.652.