Опубликован: 03.05.2012 | Доступ: свободный | Студентов: 2645 / 447 | Оценка: 4.39 / 4.14 | Длительность: 19:41:00
Лекция 3:

Оптоволоконные кабели

< Лекция 2 || Лекция 3: 1234 || Лекция 4 >

Конструкция оптоволоконного кабеля

Оптоволоконный кабель содержит [ 24 ] , [ 25 ] три основных элемента ( рис. 3.2):

  • оплетка;
  • оболочка;
  • сердцевина.
Конструкция оптического волокна

Рис. 3.3. Конструкция оптического волокна

Сердцевина, волоконный светопроводящий элемент, окружен оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине отражаются внутрь сердцевины ( рис. 3.3). Попадет ли луч снова внутрь сердцевины, зависит от угла, под которым он пересекает границу "сердцевина-оболочка" (числовая апертура2 максимальный угол, при котором для вводимого в волокно светового излучения обеспечивается полное внутреннее отражение ). Если луч входит под слишком острым углом к поверхности оболочки, то он поглощается. Поглощение может происходить при изменении в оболочке, например, при сгибах оптокабеля или при неправильном сращивании волокон. При построении сетей используются многожильные кабели. На рис. 3.4 показан пример кабеля с 8 волокнами. В центре расположен стальной трос для укрепления кабеля, а внешняя поверхность покрыта стальной оплеткой для защиты от грызунов и внешних силовых воздействий.

Принцип размещения волокон в оптическом кабеле

Рис. 3.4. Принцип размещения волокон в оптическом кабеле
Схема распространения лучей в многомодовом кабеле

Рис. 3.5. Схема распространения лучей в многомодовом кабеле

Многомодовые волокна

На рис. 3.5 показан принцип распространения лучей. В том числе видно, что при отражении луча под определенным углом возникает другой луч - "вторичная мода". Такие лучи могут быть использованы для организации второго пути переноса информации. Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми. По сравнению с одномодовыми кабелями (диаметр сердцевины 8,5 или 9,5 мкм ) многомодовые кабели имеют больший диаметр (50/62/5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм ). Больший диаметр сердцевины упрощает их изготовление.

Многомодовая дисперсия Обратим внимание, что отраженный луч проходит больший путь, следовательно, прохождение информации несколько замедляется. Запаздывающие лучи приводят к расширению передаваемых импульсов. Величина этого расширения прямо пропорциональна ширине импульса и обратно пропорциональна скорости передачи. Следовательно, многомодовая дисперсия ограничивает пропускную способность оптического кабеля, которая характеризуется коэффициентом широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor). Типовое значение BDF у многомодовых кабелей меняется от 200 до 800 МГц/км. Одномодовые волокна более широкополосные, их значение BDF равно от 50-100 ГГц/км [ 20 ] . Такой эффект наблюдается у так называемых волокон со ступенчатым показателем преломления. Это волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления. Лучшие показатели BDF у волокна с плавным изменением, показателя преломления от максимального в центре к минимальному по краям. Таким образом, лучи, проходящие ближе к центру, будут распространяться с задержкой, по сравнению с лучами, проходящими по его краям. Поэтому скорости всех лучей выравниваются, и лучи прибывают к приемнику с одинаковой задержкой. Волокна с изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону называются градиентными волокнами и имеют коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем волокна со ступенчатым показателем.

Затухание сигнала в оптическом волокне

Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение или рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощения зависят от прозрачности материала, из которого изготовлено волокно. Потери на рассеяние зависят от неоднородности преломления материала. Затухание сигнала при определенной марке кабеля на единицу длины линии зависит от длины волны сигнала ( рис. 3.6). В современных оптических волокнах самое низкое затухание наблюдается на двух длинах волны — 1300 и 1550 нм , так как в этих диапазонах самая большая прозрачность кварца, из которого делается волокно. На этих частотах, как можно увидеть на рис. 3.6 , затухание равно 0,35 и 0,2 дБ соответственно. Параметры затухания для различных марок оптических кабелей показаны в табл. 3.2 [ 10 ] .

Зависимость затухания в оптическом волокне от длины волны

Рис. 3.6. Зависимость затухания в оптическом волокне от длины волны
Таблица 3.2. Параметры оптического кабеля
Тип оптического кабеля d/D мкм NA Погонное затухание дБ/км
850 нм 1350 нм 1550 нм
Одномодовый 9,5/125 0,15 - 0,4 0,3
Многомодовый градиентный 50/125 0,2 2,5 0,7 -
62,50/125 0,275 3 1 -
80/125 0,28 3,5 1,5 -
100/140 0,4 5 - -
Многомодовый ступенчатый 200/280 0,4 5 - -
200/280 - 6 - -
Примечание:d/D – отношение диаметра сердцевины к диаметру оболочки, NA – числовая амплитуда

Хроматическая дисперсия (Chromatic Dispersion)

Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов, лимитирующих полосу пропускания волоконно-оптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала). Различные длины волн распространяются с различной скоростью. Хотя большинство оптических источников имеют одинаковый диапазон светового луча, каждая волна с различной длиной прибывает за различное время, и поэтому оказывается, что передаваемый импульс размывается. Количественно дисперсия измеряется относительно скорости распространения волн с различной длиной, входящих в световой сигнал. Большая дисперсия означает, что волны распространяются с большой разницей по скорости. Низкая дисперсия указывает, что сигналы, смежные по длине волны, распространяются приблизительно с одинаковой скоростью. Упорядочение дисперсии состоит в том, чтобы снизить разницу распространения сигналов разной длины волны по всему диапазону. Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волновой составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, ввиду отсутствия межмодовой дисперсии. Материальная составляющая отражает зависимость показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно зависимости показателя от длины волны.

\tau_{mat}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times M(\lambda),

где

  • \tau_{mat}(\Delta\lambda) — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр (пс/км•нм);
  • M(\lambda)дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии волокна) в пс/км;
  • \Delta\lambda — спектр источника в нанометрах (нм);
  • L— длина кабеля.

В выражение для дисперсии одномодового волокна входит показатель преломления материала, а именно — дифференциальная зависимость показателя от длины волны M(\lambda). Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот показатель может быть положительным (коэффициент преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент преломления убывает).

Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в зависимости от длины волны. Дифференциал такой функции всегда положительный (время распространения с увеличением длины волны только возрастает).

\tau_{w}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times N(\lambda),

где

  • \tau_{mat}(\Delta\lambda) — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр (пс/км•нм);
  • N(\lambda) — дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны;
  • \Delta\lambda — увеличение длины волны вследствие некогерентности источника в нанометрах;
  • L— длина кабеля.

Итоговая удельная хроматическая дисперсия D(\lambda) равна

D(\lambda)=M(\lambda)+N(\lambda)

И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310\pm 10нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M(\lambda)и N(\lambda), а результирующая дисперсия D(\lambda) обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии \lambda_0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться \lambda_0 для данного конкретного волокна. Для борьбы с хроматической дисперсией можно рекомендовать следующие методы.

1. В качестве рабочей длины волны выбирать длину, при которой хроматическая дисперсия минимальна.

2. Выбирать источник с узким спектром.

3. Использовать для передачи сигналов узкие однополярные импульсы.

4. Применять оптическое волокно, компенсирующее дисперсию (волокно со смещенной или выровненной дисперсией). На рис. 3.6 приведены кривые, показывающие зависимости задержек для различных типов кабелей [ 10 ] . Как видно из рис.3.7 , длина волны нулевой дисперсии \lambda_0 для многомодового градиентного и одномодового ступенчатого кабелей — 1300 нм и для одномодового со смещенной дисперсией — 1500 нм. В реальных кабелях вследствие производственных допусков типичные значения дисперсии порядка 1-3,5 пс/км нм.

Установлено, что при определенной форме сигнала ( рис. 3.8) он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами.

< Лекция 2 || Лекция 3: 1234 || Лекция 4 >
Всеволод Машинсон
Всеволод Машинсон
Россия
Владимир Савинов
Владимир Савинов
Украина, Киев, Киевский Политехнический Институт, 1996