Диплом: Реконструкция волоконно-оптической линии связи

= 0 устанавливается критический режим, заключающийся в невозможности

существования направляемой моды, что соответствует [5]:

.

(2.4.5)

Последнее уравнение имеет бесчисленное множество решений [5]:

(2.4.6)

Введем величину, называемую нормированной частотой V, которая связывает

структурные параметры ОВ и длину световой волны, и определяемую следующим

выражением:

, (2.4.7)

При = 0 для

каждого из решений уравнения (2.4.5) имеет место критическое значение

нормированной частоты

(m = 1, 2, 3., n = 0, 1, 2, 3.):

и т.д.

Для моды HE11 критическое значение нормированной частоты

. Эта мода распространяется при любой частоте и структурных параметрах волокна и

является фундаментальной модой ступенчатого ОВ. Выбирая параметры ОВ можно

добиться режима распространения только этой моды, что осуществляется при

условии:

(2.4.8)

Минимальная длина волны, при которой в ОВ распространяется фундаментальная

мода, называется волоконной длиной волны отсечки. Значение определяется из

последнего выражения как:

(2.4.9)

2.5. Одномодовые оптические волокна

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна

(step in­dex single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на

волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и

на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted

single mode fiber).

В ступенчатом одномодовом оптическом волокне (SF) (рис. 2.3) диаметр

светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В

таком волокне при достаточно большой длине волны света λ >

λCF (λCF - длина волны отсечки)

распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в оптическом

волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм. Распространение

только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспе­чивает очень высокую

пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрач­ности.

Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в

окрестно­сти длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в

ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне

потери составляют 0,3 - 0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,20 -

0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

Рис. 2.3. Профили показателя преломления

В одномодовом оптическом волокне со смещенной дисперсией (DSF) (рис. 2.3)

длина волны, на которой дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой

дисперсии λ0 - смеще­на в окно прозрачности 1550 нм. Такое

смещение достигается благодаря специальному профилю показате­ля преломления

волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие

характеристики, как по минимуму дисперсии, так и по минимуму по­терь. Поэтому

такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с

расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная

рабочая длина волны берется близкой к: 1550 нм.

Одномодовое оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в

отличие от DSF оп­тимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу

нескольких длин волн (мультип­лексного волнового сигнала) и наиболее эффективно

может использоваться при построении магистралей «полностью оптических сетей» -

сетей, на узлах которых не происходит оптоэлектронного преобразования при

распространении оптического сигнала.

Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых ОВ совершенно не означает,

что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи:

SF - пере­дача сигнала на длине волны 1310 нм, DSF - передача сигнала на

длине волны 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигнала в окне 1530-

1560 нм. Так, например, мультип­лексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно

передавать и по стандартному ступенчатому одномодовому волокну SF [5]. Однако

длина безретрансляционного участка при использовании во­локна SF будет

меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса

спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей

хроматической дисперсии. Максимальное допустимое расстояние определяется

технически­ми характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией),

так и приемо­передающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным

уширением излучения пе­редатчика, чувствительностью приемника).

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты волокон:

- многомодовое градиентное волокно 50/125;

- многомодовое градиентное волокно 62,5/125;

- одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной

дисперсией или стан­дартное волокно) 8-10/125;

- одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125;

- одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по

профилю показа­теля преломления это волокно схоже с предыдущим типом

волокна).

2.6. Константа распространения и фазовая скорость

Волновое число k можно рассматривать как вектор, направление которого

совпадает с направлением распространения света в объемных средах. Этот вектор

называется волновым вектором. В среде с показателем преломления

величина волнового вектора равна

. В случае распространения света внутри волновода направление распространения

света совпадает с направлением проекции β волнового вектора k

, на ось волновода:

(2.6.1)

где - угол,

дополняющий угол i до 90

(или угол между лучом и осью, как показано на рис. 2.4), β

называется константой распространения и играет такую же роль в волноводе как

волновое число k в свободном пространстве [6]. Т.к.

, то в соответствии с (ф. 2.6.1)

и i зависят от длины волны.

Рис. 2.4. Волновой вектор и константа распространения

Угол падения изменяется между и π/2. Следовательно:

(2.6.2)

Таким образом, величина константы распространения внутри волновода всегда лежит

между значениями волновых чисел плоской световой волны в материале сердцевины и

оболочки. Если учесть, что

, то можно переписать это соотношение на языке фазовых скоростей:

(2.6.3)

Фазовые скорости распространения мод

заключены между фазовыми скоростями волн в двух объемных материалах.

Скорость распространения светового сигнала или групповая скорость - это скорость

распространения огибающей светового импульса. В общем случае групповая скорость

u не равна фазовой скорости. Различие фазовых скоростей мод приводит к

искажению входного пучка света по мере его распространения в волокне.

В волокне с параболическим градиентным показателем преломления наклонные лучи

распространяются по криволинейной траектории, которая, естественно, длиннее,

чем путь распространения аксиального луча. Однако из-за уменьшения показателя

преломления по мере удаления от оси волокна, скорость распространения

составляющих светового сигнала при приближении к оболочке оптического волокна

возрастает, так что в результате этого время распространения составляющих по

ОВ оказывается примерно одинаковым. Таким образом, дисперсия или изменение

времени распространения различных мод, сводится к минимуму, а ширина полосы

пропускания волокна увеличивается. Точный расчет показывает, что разброс

групповых скоростей различных мод в таком волокне существенно меньше, чем в

волокне со ступенчатым профилем показателя преломления. Оптические волокна,

которые могут поддерживать распространение только моды самого низкого

порядка, называются одномодовыми.

Таким образом, каждая мода, распространяющаяся в ОВ, характеризуется постоянным

по длине световода распределением интенсивности в поперечном сечении,

постоянной распространения β, а также фазовой v и

групповой u скоростями распространения вдоль оптической оси, которые

различны для разных мод. Из-за различия фазовых скоростей мод волновой фронт и

распределение поля в поперечном сечении изменяются вдоль оси волокна. Из-за

различия групповых скоростей мод световые импульсы расширяются, и это явление

называется межмодовой дисперсией.

В одномодовом волокне существует только одна мода распространения, поэтому

такое волокно характеризуется постоянным распределением поля в поперечном

сечении, в нем отсутствует межмодовая дисперсия, и оно может передавать

излучение с очень широкой полосой модуляции, ограниченной только другими

видами дисперсии (см. п. 3.2).

Глава 3. Процессы, происходящие в оптическом волокне,

и их влияние на скорость и дальность передачи информации

3.1. Затухание оптического волокна

По мере распространения света в оптической среде он ослабевает, что носит

название затухания среды — затухания ОВ. Затухание зависит от длины

волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передача сигналов по

волокну осуществляется в трех диапазонах: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм, так как

именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Затухание (рис.

3.1) обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на

рассеяние излучения в оптическом волокне [5]:

- рэлеевское рассеяние;

- рассеяние на дефектах волокна;

- собственное поглощение кварцевого стекла;

- примесное поглощение;

- поглощение на микро и макроизгибах.

Рис. 3.1. Затухание.

Степень потерь определяет­ся коэффициентом затухания

, который в общем виде равен:

(3.1.1)

где —

коэффициент затухания, обусловленный потерями на поглощение световой энергии.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10