Глаголев СФ_Передаточные характеристики ОВ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА
С.Ф. Глаголев, B.C. Иванов
Л.Н. Кочановский
ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций
в качестве учебного пособия по специальностям:
210406- «Сети связи и системы коммутации»
210404 — «Многоканальные телекоммуникационные системы»
210401 - «Физика и техника оптической связи»
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005
УДК 621.372.061
Глаголев С.Ф., Иванов B.C., Кочановский, Л.Н. Передаточные характеристики
оптических волокон: учебное пособие (спец. 21040 1,210404,210406) / СПбГУТ. СПб, 2005. ISBN
5-89160-045-5
Утверждено в качестве учебного пособия редакционно-издательским советом университета (2005, п. 42).
Приводятся конструктивные и оптические параметры ОВ, используемых в
конструкциях оптических кабелей. Излагаются причины потерь мощности сигнала при
распространении по ОВ, а также виды дисперсий световых импульсов в многомодовых и
одномодовых волокнах. Описываются методы измерения передаточных характеристик ОВ.
Рецензент проф. Б.К. Чернов (СПбГУТ)
© С.Ф. Глаголев, B.C. Иванов, Л.Н. Кочановский, 2005
© Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2005
ISBN 5-89160-045-5
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...................................................................................................................................................... 4
1.Геометрические и оптические параметры оптических волокон .................................................... 6
1.1.Геометрические параметры………………………………………….. .................................................. 6
1.2.Оптические параметры…………………………………….. ................................................................ 8
1.2.1. Относительная разность показателей преломления ............................................................ 8
1.2.2.Числовая апертура ..................................................................................................................... 8
1.2.3. Нормированная частота…………………………………………………………………..…10
1.2.4.Число распространяющихся мод………………………………..……………………………12
1.2.5.Диаметр модового поля…………………………………………………..…..………………..13
1.2.6.Длина волны отсечки…………………………………………………………..……….……..14
2.Передаточные характеристики оптических волокон……………………………..…………..……15
2.1.Оптические потери в волокне…………………………………………………..…………………..…15
2.2.Потери на стыках оптических волокон……………………………………..………………………...20
2.3.Дисперсия импульсов………………………………………………..………………………………...24
2.3.1.Причины и виды дисперсии…………………………………………………..………..…….24
2.3.2.Показатель преломления материала…………………………………………..………..……28
2.3.3.Материальная дисперсия………………………………………………………..………..…..34
2.3.4.Межмодовая дисперсия………………………………………………………..…………..…37
2.3.5.Совместное влияние межмодовой и материальной дисперсий………………………...…..42
2.3.6.Дисперсия в ступенчатых одномодовых волокнах……………………………..………..…44
2.3.7.Поляризационная дисперсия…………………………………………………..………….…49
2.4.Ширина полосы пропускания………………………………………………..……………………….50
3.Характеристики современных оптических волокон……………………………..………….……53
3.1.Многомодовые градиентные оптические волокна……………………………..……………………53
3.2.Одномодовые волокна………………………………………………………..…………………….…55
3.2.1.Стандартные ООВ с несмещенной дисперсией…………………………………..…….…..55
3.2.2.ООВ со смещенной нулевой дисперсией………………………………………..……….…58
3.2.3.ООВ со смешенной ненулевой дисперсией…………………………………..………….…60
4.Измерение передаточных характеристик ОВ……………………………………..…………………..66
4.1.Методы измерения затухания…………………………………………………..…………..…66
4.2.Метод обрыва…………………………………………………………………..……………...67
4.3.Измерение вносимых потерь………………………………………………..…………….….70
4.4.Метод обратного рассеяния………………………………………………..…………………72
4.5.Измерение полосы пропускания и дисперсии оптических волокон………………………75
4.6.Измерение параметров формы оптических импульсов…………………………..…………77
Литература …………………………..…………………………..…………………………..…………..79
ВВЕДЕНИЕ
Научно-технический прогресс страны во многом определяется объемом и скоростью
передачи информации. Обеспечить растущий объем передаваемой информации
возможно лишь на основе применения волоконно-оптических кабелей, которые по
сравнению с традиционными металлическими кабелями обладают определенными
преимуществами, основные из которых:
- широкая полоса пропускания, позволяющая передавать сигналы со скоростью
1-2 Тбит/с и выше;
- низкий уровень потерь сигнала при распространении, позволяющий передавать
сигналы без регенерации на расстояние порядка 120-350 км;
- нечувствительность к электромагнитным помехам, позволяющая прокладывать
ВОК в местах с высоким уровнем таких помех, а также высокая защищенность от
несанкционированного перехвата передаваемой информации;
- малые масса и размеры ВОК.
Использование света для передачи информации известно человечеству уже давно.
Однако отсчет истории использования современных оптических систем передачи
ведется с 1970 года, когда компания Corning Glass Works изготовила оптическое волокно
со ступенчатым профилем показателя преломления и затуханием порядка 20 дБ/км.
Такое затухание уже обеспечивало конкурентоспособность систем передачи информации
по оптическому волокну.
В последующие годы совершенствование технологии производства оптических
волокон (ОВ) развивалось быстрыми темпами. Было изготовлено (1973) градиентное
многомодовое волокно с затуханием 4 дБ/км, и начато производство одномодового
волокна (1983).
Оптическое волокно в настоящее время является самой совершенной физической
средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.
Поэтому не случайно при построении современных информационных сетей наиболее
часто используются волоконно-оптические кабели и системы.
Впервые волоконно-оптические кабели начали использоваться для военных целей в
США (1973), а на телефонной сети первый волоконно-оптический кабель (ВОК) принят в
эксплуатацию (1976). Широкомасштабное использование волоконно-оптических кабелей
началось в 1980-х гг., когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил
строить линии большой протяженности.
В настоящее время ВОК прочно занимают свои позиции, интенсивно развиваются и
являются важнейшим элементом при построении магистральных, зоновых и местных
первичных сетей взаимоувязанной сети связи (ВСС) России. С 1993 года строительство
магистральных, а с 1996 и внутризоновых линий связи ведется в стране с
использованием ВОК.
Последние годы являются периодом широкого внедрения ВОК. По всему миру
поставщики услуг связи ежегодно прокладывают под землей, в тоннелях, по дну океанов
и на ЛЭП десятки тысяч километров ВОК. Стремительными темпами идет замена
кабелей с металлическими жилами на волоконно-оптические кабели на всех участках
линий. Сегодня ВОК приближается к конечному пользователю, т. е. к абоненту.
В настоящее время в конструкциях ВОК наибольшее распространение получили
стандартные одномодовые волокна, используемые в сетях электросвязи общего
использования, и градиентные многомодовые волокна, используемые в локальных сетях.
Полоса пропускания современных одномодовых оптических волокон (ОВ) и
оптических кабелей (ОК) составляет десятки терагерц (ТГц), а затухание на длине волны
1550 нм менее 2 дБ/км. Благодаря этому объем передаваемой информации по одному
волокну в современных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) возрос до нескольких
Тбит/с, а дальность передачи увеличилась до сотен километров без применения
промежуточных пунктов регенерации сигналов.
Такое улучшение характеристик кабельных систем передачи позволило значительно
повысить качество, как существующих услуг связи, так и создать целый ряд новых видов,
для реализации которых используются высокоскоростные волоконно-оптические системы
передачи (ВОСП). На основе волоконно-оптических технологий созданы ВОЛС всех
уровней: объектовые, городские, зоновые и магистральные со скоростями передачи
цифровой информации до 10 Гбит/с.
За истекший период техника волоконно-оптической связи развивалась
стремительно. Пройден путь от ступенчатых и градиентных многомодовых волокон
(длина волны 0,85 мкм, скорость передачи 140 Мбит/с и коэффициент затухания 5 дБ/км)
к одномодовым волокнам различного профиля (длины волн 1,3 и 1,55 мкм, скорости
передачи 565 Мбит/с и 2,4 Гбит/с и коэффициент затухания 0,25 дБ/км).
Исследования в области волоконно-оптических технологий интенсивно продолжаются.
К числу наиболее прогрессивных можно отнести технологию плотного волнового
мультиплексирования DWDM, позволяющую значительно увеличить пропускную
способность уже существующих волоконно-оптических магистралей.
В настоящее время применение оптических кабелей целесообразно и экономически
эффективно на всех участках взаимоувязанной сети связи РФ. Использование ОК
значительно повышает технико-экономические показатели систем передачи и
обеспечивает возможность перехода к цифровым сетям интегрального обслуживания.
В заключение следует отметить, что если XX век был веком расцвета электрических
кабелей связи, то век XXI станет веком оптических.
1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
1.1. Геометрические параметры
Конструктивно оптическое волокло (рис.1.1) представляет собой цилиндрическую
кварцевую нить, состоящую из трех концентрических слоев сердцевины, оболочки и
защитного покрытия.
Рис. 1.1. Конструкция ОВ: 1 - сердцевина; 2 - отражающая оболочка; 3 - защитное покрытие
Основными геометрическими параметрами ОВ являются:
- диаметры сердцевины, оболочки, защитного покрытия;
- некруглость (эллиптичность) сердцевины, оболочки;
- неконцентричность сердцевины и оболочки.
Некруглость сердцевины ОВ (рис. 1.2) - это разность максимального и
минимального диаметров сердцевины, деленной на номинальный диаметр сердцевины:
d
 d мин
(1.1)
H c  макс
,
dн
где Нс - некруглость сердцевины, %; dмакс, dмин - максимальный и минимальный диаметр
сердцевины; dH - номинальный диаметр сердцевины, мкм.
а)
б)
Рис. 1.2. Неоднородности в ОВ:
а - некруглость, б - неконцентричность сердцевины и оболочки
Некруглость оболочки ОВ определяется аналогично. Следует отметить, что
некруглость сердцевины определяется только в многомодовых волокнах, а некруглость
оболочки - в многомодовых и одномодовых волокнах.
Неконцентричность сердцевины относительно оболочки - это расстояние между
центрами оболочки и сердцевины ОВ (рис.1.2, б)- определяется выражением
Нс/о = Цо - Цс ,
(1.2)
где Нс/о - неконцентричность сердцевины относительно оболочки, мкм; Цс -координата
центра сердцевины, мкм; Цо - координата центра оболочки, мкм.
Выбор конструктивных параметров ОВ, в частности, диаметров сердцевины и
оболочки, определяется на основе комплексного решения целого ряда факторов и
закономерностей. В соответствии с рекомендациями ITU-T для многомодовых кварцевых
ОВ соотношение диаметров оболочки и сердцевины принимаются равными 2,5, а
численные значения диаметров сердцевины и оболочки составляют соответственно 50 и
125 мкм. Размеры ОВ записываются в виде отношения dc /d0 (например, 50/125).
Помимо основного типоразмера 50/125 в системах связи также используются
многомодовые ОВ с типоразмерами 62,5/125. В настоящее время размеры ОВ и их
допустимые отклонения от номинальных значений стандартизованы (табл. 1.1).
Допустимые отклонения размеров MOB
Таблица 1.1
Параметр
Многомодовое волокно
50/125
62,5/125
Диаметр сердцевины, мкм
50
62,5 ± 3
Эллиптичность сердцевины, %
±3
≤6
Диаметр оболочки, мкм
≤6
125 ±2
Эллиптичность оболочки, %
125
≤2
±3
≤2
Диаметр одномодовых ОВ выбирается из тех же соображении, что и для
многомодовых. Диаметр сердцевины одномодовых ОВ обычно составляет 7-9 мкм, диаметр
поверх оболочки для унификации сохраняется равным 125 мкм. Отклонение от
номинального значения, как и в случае многомодового ОВ, не должно превышать
±2,4%, а некруглость - 2%. Однако следует отметить, что нормируемым параметром в
ООВ является не диаметр сердцевины, а диаметр поля моды, который характеризует
потери при вводе света в волокно и зависит от длины волны (табл. 1.2).
Фактически диаметр поля моды на 10-12% больше диаметра сердцевины и
составляет 8-11 мкм.
Таблица 1.2
Конструктивные размеры стандартного ООВ
Диаметр модового поля, мкм
Эксцентричность модового поля, мкм
Диаметр оболочки, мкм
Эллиптичность оболочки, %
9,3 ±0,5 (1310 нм)
≤1,0
125 ±2
≤2
1.2. Оптические параметры
Основные оптические параметры ОВ:
- относительная разность показателей преломления - ∆,
- числовая апертура - NA,
- нормированная частота - ν,
- число распространяющихся мод - М,
- диаметр модового поля – Dмп,
- длина волны отсечки (критическая длина волны) - λот.
1.2.1. Относительная разность показателей преломления
Относительная разность показателей преломления (ПП) характеризуется
соотношением показателей преломления сердцевины – n1 и оболочки – n2 и определяется
выражением

n12  n22 n1  n2

n1
2n12
(1.3)
Для большинства ОВ  = 10 -2 – 10 -3.
1.2.2. Числовая апертура
Числовая апертура (NA) является одной из основных характеристик, определяющих
условия ввода оптических сигналов и процесс их распространения вОВ.
Для ознакомления с понятием числовой апертуры рассмотрим процесс
распространения меридиональных лучей, падающих из свободного пространства с
показателем преломления п0 на входной торец ОВ со ступенчатым профилем изменения
показателя преломления и распространяющихся затем по его сердцевине.
Как видно из рис. 1.3, луч, падающий из свободного пространства под углом 9 к оси
ОВ, преломляется на входном торце и входит в сердцевину под углом 0|, а затем падает
на границу раздела сердцевина-оболочка под углом

   1
2
Если φ ≥ φкр, этот луч распространяется вдоль сердцевины, многократно претерпевая
полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Если же луч, падающий на
входной торец волокна, после преломления падает на границу раздела сердцевинаоболочка под углом φ < φкр, то он переходит из сердцевины в оболочку.
Рис. 1.3. Ход лучей в оптическом волокне
Таким образом, значению φ = φкр соответствует максимальный угол ввода θmax, при
котором световой луч еще распространяется в сердцевине. Угол θmax, в рад. или град,
определяется величиной
NA  n0  Sin max ,
(1.4)
называемой числовой апертурой и характеризующей эффективность ввода светового
излучения в ОВ.
Как видно, числовая апертура численно равна синусу половины угла при вершине
конического пучка лучей, которые захватываются и направляются ОВ, следовательно, по
закону Снеллиуса
n0  Sin  max  n1 Sin 1  n1 Sin (

  кр ),
2
где п0 - показатель преломления окружающей ОВ среды;
θmax - максимальный угол падения луча на входной торец ОВ.
(1.5)
Подставляя в (1.5)  кр  arcsin n 2 n1  получаем выражение для числовой апертуры:
2
NA  n0  Sin max
n 
 n1 1   2   n12  n22 .
 n1 
(1.6)
Из (1.6) видно, что с увеличением разности показателей преломления сердцевины и
оболочки возрастает значение числовой апертуры NA, что улучшает эффективность
ввода излучения источника в ОВ. Например, при п1 - 1,51 и п2 = 1,13 все
меридиональные лучи, падающие из воздуха (п0 = 1), входят в сердцевину (NA=1,
θmax=π/2). Однако большое значение числовой апертуры NA приводит к увеличению дисперсии
импульсов и другим нежелательным явлениям в ОВ, поэтому для ступенчатых ОВ,
используемых в системах связи, числовая апертура обычно составляет 0,15-0.25.
Выражение (1.6) учитывает только меридиональные лучи. В реальных условиях лишь
определенная часть пучка световых лучей источника преобразуется в меридиональные лучи. В
основном же в ОВ преобладают косые лучи, закон распространения которых значительно
сложнее, чем меридиональных, поэтому вывести простое выражение для числовой апертуры
косых лучей не удается. Отметим лишь то, что числовая апертура, рассчитанная по (1.6) для
меридиональных лучей ступенчатого ОВ, меньше значения действительной числовой апертуры,
учитывающей все световые лучи.
Выражение для числовой апертуры ОВ с градиентным профилем показателя преломления
по аналогии с (1.6) записывается так:
NAr   n0  Sin max  n 2 r   n22
,
(1.7)
Из (1.7) видно, что максимальный угол падения меридионального луча из свободного
пространства на входной торец градиентного ОВ, при котором он удерживается сердцевиной,
зависит от того, в какой точке сердцевины находится этот луч. Вблизи границы с оболочкой
числовая апертура стремится к нулю, а на оси ОВ достигает максимального значения. В связи с
этим для оценки эффективности ввода оптического излучения в градиентное ОВ вводится
понятие эффективной числовой апертуры NAэфф.
Для ОВ с параболическим профилем показателя преломления
NA эфф 
1
n12  n22 ,
2
(1.8)
где п1 - максимальное значение показателя преломления сердцевины ОВ;
п2 - значение показателя преломления оболочки.
Определение числовой апертуры косых лучей градиентных ОВ представляет собой еще
более сложную задачу, чем в случае ступенчатых.
1.2.3. Нормированная частота
Нормированная частота представляет обобщенный параметр, включающий в себя радиус
сердцевины, длину волны, коэффициенты преломления сердцевины и оболочки и характеризует
режим работы ОВ (одномодовый или многомодовый):
V
2  π a
2  π  a  NA
 n 12  n 22 
,
λ
λ
(1.9)
где а - радиус сердцевины ОВ, X - длина волны, п1 и п2 - показатели преломления сердцевины
и оболочки.
При передаче оптической энергии по волокну основная ее часть распространяется внутри
сердцевины, а определенная часть проникает в оболочку, где экспоненциально уменьшается.
Степень ее уменьшения с увеличением радиуса определяется значением поперечного
коэффициента распространения оболочки:
 2   2   22 ,
(1.10)
где β - продольный коэффициент распространения в ОВ,
k2 
2    n2

- волновое число оболочки.
При больших значениях ξ2 поле направляемой моды сосредоточено в сердцевине ОВ. С
уменьшением ξ2 поле перераспределяется в оболочку и перенос энергии в продольном
направлении уменьшается. При ξ2 =0 (критический режим) происходит качественное изменение
характера волнового процесса -появляется поток энергии в радиальном направлении и
существование направляющей моды становится невозможным. Таким образом, каждая мода
имеет нормированную частоту, которая определяет область ее существования.
n
1
0
1
1
2
2
2,405
0,000
3,832
2,405
5,136
Значение V при m равном
2
5,520
3,832
7,016
5,538
8,417
Таблица 1.3
Тип волны
3
8,654
7,016
10,173
8,665
11,620
H0m; H0m
НЕпm
EHnm
НЕпm
EHnm
В табл. 1.3 приведены нормированные частоты v для мод, вид которых указан в правой
колонке, а индекс пт составлен из чисел левого столбца и верхней строчки, соответствующих
клетке, в которой находится данная величина v.
Из табл. 1.3 видно, что только одна несимметричная волна НЕ11 имеет V=0, а
следовательно, может распространяться при любой частоте и диаметре сердечника.
По мере увеличения частоты, начиная с V= 2,405, возникает возможность существования
волн Е01, H01, НЕ21, при V> 3,832 дополнительно к HE11, Е01, Н01 и HE21 появляются моды H12,
ЕН11 и НЕ31 и т. д.
Реальная картина появления новых мод с ростом v иллюстрируется табл. 1.4, в последнем
столбце которой указаны моды, возникающие в данном диапазоне характеристических частот и
являющиеся дополнительными по отношению к предыдущим.
Таблица 1.4
Область характеристических
Дополнительные моды в данном диапазоне
частот
0-2,405
НЕ11
2,405-3,832
Н01;Е01; НЕ21
3,832-5,136
НЕ12;, ЕН11; НЕ31
5,136-5,520
ЕН12; НЕ41
5,520-6,380
Н02;E02; НЕ22
6,380-7,016
ЕН31; НЕ51
7,016-7,588
НЕ13;ЕН12;НЕ31
7,588-8,417
ЕН41;HE61
Для любого рассматриваемого в табл. 1.4 диапазона частот существующие типы мод
определяются как совокупность всех предшествующих (от V = 0) и дополнительных,
возникающих в данном диапазоне характеристических частот.
Таким образом, если 0 < V < 2,405, то режим работы ОВ одномодовый, если V > 2,405 многомодовый.
1.2.4. Число распространяющихся мод
Число распространяющихся мод (М) в многомодовом оптическом волокне (MOB) с
диаметром сердцевины dc и заданной числовой апертурой NA на длине волны X определяется
через нормированную частоту ν.
Для MOB со степенным профилем изменения показателя преломления
1

q 2


r
 

при 0  r  a,
n1 1  2 a  



(1.11)
n( r )   

при a  r  b,
n 2

где r - текущий радиус; а - радиус сердцевины; n1 - показатель преломления на оси ОВ при
r = 0; п2 - показатель преломления оболочки; ∆ - относительная разность показателей
преломления; q - показатель преломления, описывающий изменение п(r).
Число мод определяется выражением
q
(1.12)
M
 2.
2(q  2)
Для ступенчатого МОБ (q = ∞) число распространяющихся мод рассчитывается по формуле
M = V2/2,
(1.13)
M = V2/4.
(1.14)
а для ОВ с параболическим ППП (q=2)
Как видно из приведенных формул, значения M могут быть получены как целые, так и
дробные, в действительности же число мод может быть только целым и составлять величину от
одной до нескольких тысяч.
Для уменьшения количества распространяющихся мод следует уменьшать а и ∆. Однако
этому в определенной степени препятствуют следующие факторы: при меньшем диаметре
сердцевины обычно возрастают потери на вводе, при меньшем ∆ увеличиваются потери на
изгибах волокна.
1.2.5. Диаметр модового поля
Понятие диаметра модового поля (Dмп) используется при анализе одномодовых волокон и
оценивает размеры поперечного распространения энергии основной моды в ОВ. Объясняется
это тем, что энергия основной моды в ООВ распространяется не только в сердцевине, но и
частично в оболочке. На рис. 1.4 показана зависимость распределения мощности излучения
основной моды одномодового волокна от радиуса.
Эта зависимость аппроксимируется с достаточной степенью точности формулой Гаусса
2
 r 
 ,
P (r )  P0 exp  
(1.15)
 R0 
где Р(r) - мощность излучения на расстоянии r от оси ООВ; Ро - мощность излучения на оси ООВ
при r = 0; Ro - радиус модового поля, т.е. значение радиуса, при котором интенсивность
излучения составляет1/е2 = 0,135P0.
При известных значениях V и а диаметр модового поля Dмп , мкм
Dмп = 2а(0,65 + 1,62 V-1,5).
(1.16)
Рис. 1.4. Зависимость распределения интенсивности излучения основной моды ООВ в ближней зоне от
радиуса
1.2.6. Длина волны отсечки
Этот параметр характерен для одномодовых ОВ и определяет минимальную (критическую)
длину волны, при которой в ОВ распространяется одна мода.
Режим распространения только одной моды НЕ11, можно обеспечить, реализуя условие
V
2  π a
 n 12  n 22  2,405 ,
λ
(1.17)
которое можно выполнить, уменьшая либо разность показателей преломления ∆n, либо радиус
сердцевины а.
Так, для типичного случая (n1=1,5 и ∆=0,002) ν ≈ 0,6 а/λ, следовательно, максимальное
значение диаметра сердцевины одномодового волокна 2а = 6,8 мкм при λ = 0,85 мкм и
2а = 12,8 мкм при λ = 1,6 мкм.
Из выражения (1.17) можно определить длину волны отсечки для ООВ
от 
2   a
 NA
2,405
(1.18)
Например, для ОВ с 2a=10 мкм и ∆n = n1 – n2 = 0,003 значение λот = 1,225 мкм, т. е. на длине
волны больше указанного значения моды высших порядков распространяться не будут.
На практике одномодовый режим наблюдается на длинах волн, несколько меньших, чем
рассчитанные по формуле (1.18). Объясняется это тем, что в реальных одномодовых ОВ,
изготовленных, например, методом модифицированного парофазного осаждения, вследствие
«выгорания» легирующей примеси в центральной части в процессе схлопывания характерно
сглаживание профиля показателя преломления и образование провала вблизи оси волокна. В
результате таких отклонений уменьшается λот.
2. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
2.1. Оптические потери в волокне
При распространении сигнала по ОВ происходит затухание его мощности, обусловленное
различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн со средой
волокна.
Затухание является одним из основных факторов, определяющих максимальное
расстояние, на которое можно передать сигнал без установки промежуточных регенераторов.
Уменьшение мощности сигнала происходит по экспоненциальному закону
P  P0 exp(   L) ,
(2.1)
где Ро - мощность, вводимая в волокно; а - коэффициент затухания (потерь); L - длина ОВ.
Коэффициент затухания а сигнала в ОВ обусловлен собственными и дополнительными
потерями мощности:
   соб   доп ,
(2.2)
где αсоб и αдоп- коэффициенты, обусловленные соответственно собственными и
дополнительными потерями мощности в ОВ.
Собственное затухание в волокне обусловлено главным образом поглощением и
рассеянием энергии в материале ОВ:
 соб   п   рас
(2.3)
Общие потери на поглощение в ОВ
α п  α пм  α ик  α пр
(2.4)
где αпм, αик, αпр - составляющие коэффициента затухания за счет поглощения в материале
волокна, инфракрасной области и на примесях соответственно.
Составляющая αпм определяет ту часть мощности, которая поглощается материалом ОВ и
связана с потерями на диэлектрическую поляризацию диполей ОВ:
α пм  8,69 
π  n1
 tgδ ,
λ
(2.5)
где n1 - показатель преломления сердцевины ОВ; tg δ - тангенс угла диэлектрических потерь
сердцевины ОВ.
Составляющая αик, обусловленная электронным и атомным резонансами в инфракрасной
части спектра за счет колебания атомов в кристаллической решетке, определяется из выражения
 k
 ик  C  exp    ,
 
(2.6)
где С и k - постоянные коэффициенты, равные для кварца С = 0,9 и k = (0,7-0,9)∙10-6м.
К примесям, содержащимся в кварцевом волокне, относятся ионы металлов переходной
группы Fe, Си, Со, Сr, Ni, Mn. Указанные ионы вызывают соответствующие полосы
поглощения в диапазоне 0,5-1,5 мкм. Длина волны пика поглощения и ширина полосы зависят
от элемента примеси и состава стекла. Кроме того, на длину пика поглощения и ширину полосы
поглощения оказывают влияние валентное состояние самого иона. Например, если ион Fe3+
вызывает максимальное поглощение в области ниже 0,4 мкм, то ион Fe2+ вызывает
максимальное поглощение в области выше 1,1 мкм.
Другой существенной примесью является вода, присутствующая в стекле в виде ионов
гидроксильной группы ОН−. Хотя основной пик поглощения ОН− располагается вблизи 2,7 мкм,
гармоники основного колебания обусловливают максимумы поглощения на длинах волн 0,95,
1,24 и 1,39 мкм.
Потери на гидроксильном остатке воды (ОН−) в современных ОВ, выпускаемых в
соответствии с требованиями ITU-T рек. G651, G652, имеют следующие значения:
 OH

0,1 äÁ/êì ïðè λ  850íì;

 0,05 äÁ/êì ïðè λ  1300íì ;

0,03 äÁ/êì ïðè λ  1550íì.

Потери на поглощение в материале зависят от концентрации ионов металлов переходной
группы и гидроксильной группы ОН−, и для их уменьшения требуется высокая чистота
исходных материалов.
В табл. 2.1 приведены значения концентрации ионов металлов и группы ОН− при
значениях пиковых потерь в стекле.
Таблица 2.1
Концентрация примесей при а = 1 дБ/км
Ион
Концентрация
ОН−
1,25∙10-6
Сu2+
2,5∙10-9
Fe2+
1∙10-9
Cr3+
1∙10-9
Современные ОВ в большинстве случаев изготавливаются из химически чистой двуокиси
кремния (SiO2), поэтому в широком диапазоне длин волн оптического излучения (0,8-1,6 мкм)
поглощение практически сведено к нулю.
Исключение составляют длины волн 1380-1410 нм, на которых происходит поглощение
из-за присутствия гидроксильной группы ОН−. По этой причине составляющей αп в выражении
(2.3) можно пренебречь и считать, что затухание света в ОВ происходит только вследствие
рассеяния, зависящего от размеров локальных неоднородностей. Следует отметить, что в
материалах, из которых изготавливаются современные ОВ, существуют только микроскопические неоднородности, размер которых много меньше длины волны.
В общем случае рассеяние энергии вызывается несколькими причинами. Различают
нелинейное и линейное рассеяния. К нелинейным эффектам рассеяния относятся рамановское
спонтанное и стимулированное комбинационное излучения. Эти эффекты появляются при
определенных пороговых уровнях мощности. При линейном рассеянии мощность рассеяния
пропорциональна мощности падающей волны. В этом случае происходит частичное изменение
направления потока энергии. Одним из видов линейного рассеяния является рассеяние Ми, на
неоднородностях, размеры которых соизмеримы с длиной волны.
Фундаментальным линейным рассеянием является рэлеевское рассеяние, возникающее в
результате флуктуации показателя преломления материала волокна, тогда величина потерь


8   3  n12  1
 рр  4,34 10 k    T 
3  4
3
,
(2.7)
где k = 1,38∙10-23 Дж/К - постоянная Больцмана;
Т = 1500 К - температура затвердевания
-11 2
стекла при вытяжке;
β = 8,1 ∙10 м /Н - коэффициент изотермической сжимаемости;
п = 1,48 - 1,50 - показатель преломления сердцевины ОВ.
Из выражения (2.7) следует, что затухание вследствие рассеяния на флуктуациях обратно
пропорционально четвертой степени длины волны и растет с увеличением показателя
преломления.
Рэлеевское рассеяние является некогерентным, даже если исходный световой поток
является высококогерентным. Оно происходит во все стороны. Большая часть излучения
рассеяния происходит через оболочку ОВ и покидает его, часть распространяется в направлении
распространения основного потока, а часть - в обратном направлении.
Рэлеевское рассеяние определяет нижний предел потерь, присущих ОВ, и составляют
порядка 0,16 дБ/км на длине волны 1550 нм.
Таким образом, потери в волокне в значительной степени зависят от технологии
изготовления стекла. Очевидно, что для обеспечения низкого уровня потерь требуется высокая
чистота материала.
В настоящее время технология изготовления ОВ доведена до такой степени совершенства,
что результирующие потери в волокне определяются главным образом эффектами, присущими
самому материалу, т. е. рэлеевским рассеянием и инфракрасным поглощением. По существу эти
два фактора и определяют окно прозрачности (0,7-1,8 мкм) современных оптических волокон. В
качестве примера на рис. 2.1 представлены типовые зависимости основных составляющих
потерь от длины волны.
Рис. 2.1. Составляющие потерь энергии
Как видно из рис. 2.1, рэлеевское рассеивание αрр ограничивает нижний предел потерь в
левой части, а инфракрасное поглощение αик - в правой части спектра волн.
В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые ОВ, область
эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. При
дальнейшем увеличении длины волны из-за значительных величин αик кварц в ОВ заменяется
другими материалами.
На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галоидные,
халькогенидные и фтористые стекла. По сравнению с кварцевыми волокнами они обладают
большей прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на несколько порядков.
Суммарное значение коэффициента затухания ОВ, выраженное рэлеевскими потерями и
общими потерями за счет поглощения:
   рр   пм


8   3  n12  1
 4,34  10 k    T  1  k п  
,
3  4
3
(2.8)
где α - коэффициент затухания ОВ, дБ/км; kп = 0,1-0,25 - экспериментальный поправочный
коэффициент, учитывающий потери на поглощение.
Дополнительные потери мощности αдоп возникают за счет рассеяния из-за различных
нарушений геометрии ОВ в процессе производства ОК. Основными факторами, связанными с
геометрией ОВ, являются: нерегулярности из-за неровности поверхности раздела сердцевинаоболочка, вариации размеров поперечного сечения сердцевины и микроизгибы, связанные с
нанесением защитного покрытия и сборкой кабеля.
Эти потери, в частности, зависят от толщины оболочки: чем толще оболочка ОВ, тем
меньше потери, но с другой стороны увеличение толщины оболочки приводит к ухудшению
гибкости ОВ и увеличению его стоимости. Поэтому для многомодовых ОВ толщина защитной
оболочки выбирается в 1,5-2 раза больше радиуса сердцевины. В этом случае потери в защитной
оболочке не превышают 0,5 дБ/км. Для одномодовых ОВ соотношение указанных геометрических параметров несколько иное, т. е. для обеспечения малых величин потерь толщина
защитной оболочки должна в 10 и более раз превышать радиус сердцевины. По этой причине,
несмотря на то, что диаметр сердцевины одномодовых ОВ составляет 8-10 мкм, диаметр его по
защитной оболочке такой же, как у многомодовых ОВ.
При наличии геометрических нерегулярностей размера сердцевины волокна вдоль оси с
пространственным периодом менее 1 мм энергия направляемых мод может передаваться в моды
излучения, что приводит к дополнительным потерям в ОВ.
Для оценки значения составляющей затухания от волноводного рассеяния приведены
данные для двухслойного волокна с радиусом сердцевины 5 мкм и относительной разностью
коэффициентов преломления 1%. При среднеквадратичном отклонении границы раздела слоев от
прямой линии, равном 10-3 мкм, потери составляют до 10 дБ/км, поэтому во избежание потерь,
обусловленных изменением поперечных размеров световода по длине, необходимо выдерживать
поперечное сечение волокна постоянным по длине, либо допускать только очень большую
периодичность (по длине) вариаций размера сердцевины.
Существующие методы изготовления заготовок и вытяжки волокон в условиях достаточно
строгого контроля позволяют свести к минимуму рассматриваемые потери.
Потери из-за микроизгибов обусловлены связью мод на малых деформациях оси ОВ и поэтому
зависят от статистики этих хаотически распределенных деформаций. Дополнительные потери
такого типа могут быть снижены путем создания более совершенных конструкций кабелей с
тщательной укладкой волокон.
При соответствующем выборе материалов, конструкции и технологии изготовления ОК
дополнительные потери могут быть уменьшены до 0,2 дБ/км. Следует отметить, что
дополнительные потери мощности в ОВ при производстве ОК практически остаются
постоянными в диапазоне длин волн 0,8-1,8 мкм.
При строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий связи также возможно
появление дополнительных потерь. Эти потери, прежде всего, связаны с изгибами ОВ, которые
неизбежно возникают при прокладке кабеля. Потери на изгибах ОВ обусловлены
преобразованием на изгибах направляемых мод в моды излучения,
Потери на изгибах ОВ обусловлены вытеканием или излучением направляемых мод. Их
зависимость от параметров волокна и радиуса кривизны изгиба описывается экспоненциальной
функцией, что определяет их пороговый характер, т. е. потери на изгибах ОВ становятся
недопустимо большими, как только радиус кривизны изгиба уменьшается до критических
значений.
Критический радиус изгиба волокна, при котором вся передаваемая мощность теряется на
излучение:
R
3  n12  
(2.9)
3
4 (n12  n 22 ) 2
Еще одной причиной возможного появления дополнительных потерь в процессе
эксплуатации является постепенное ухудшение передаточных характеристик ОВ из-за
помутнения волокна и образования микротрещин под воздействием влаги.
Заметим, что в реальных ОВ и ОК вследствие большого числа случайных причин,
приводящих к резкому возрастанию потерь, основным методом определения затухания является
его измерение. На заводах измеряют затухание всех ОВ в ОК на заданной длине волны X и
данные измерений записывают в паспорт ОК для строительной длины кабеля.
2.2. Потери на стыках оптических волокон
На затухание смонтированного участка помимо собственного затухания в ОВ существенное
влияние оказывает качество стыков, т. е. разъемных и неразъемных соединений, потери на
которых обусловлены:
- различием параметров (внутренние),
- неточностью юстировки.
Основными причинами потерь являются различия показателей преломления сердцевин
соединяемых ОВ, их числовых апертур и диаметров сердцевин (многомодовые) или диаметров
модовых полей (одномодовые).
Рис. 2.2. Соединение ОВ с разными значениями показателей преломления сердцевин
Потери из-за различия показателей преломления сердцевин являются следствием
френелевского отражения на границе раздела двух сред с разными показателями преломления
(рис. 2.2).
Для волокон со ступенчатым профилем показателя преломления при отсутствии зазора
между ОВ потери, дБ:
  10  lg
4  n1  n2
,
(n1  n2 ) 2
(2.10)
где n1 и п2 - показатели преломления волокон.
Рис. 2.3. Соединение ОВ с разными числовыми апертурами
Если излучение переходит из ОВ1, имеющего числовую апертуру NA1, в ОВ2 с числовой
апертурой NA2, которая удовлетворяет условию (NA1 > NA2), то часть излучения из ОВ1 выйдет в
оболочку ОВ2 и там рассеется (рис. 2.3). В этом случае при отсутствии зазора между ОВ потери,
дБ:
NA1

20

lg

при NA1  NA2 ,

NA
2
 
(2.11)
0
при NA1  NA2 .

Потери при неодинаковых диаметрах сердцевин многомодовых ОВ или неодинаковых
диаметрах модовых полей одномодовых ОВ (рис. 2.4) возникают при переходе из ОВ1 с
большим диаметром в ОВ2 с меньшим диаметром:
d1

при d1  d 2 ,
20  lg  d
2
 
(2.12)
0
при d1  d 2 .

Следует отметить, что рассмотренные потери (кроме потерь из-за различия показателей
преломления) зависят от направления распространения света. Потери же из-за различия
показателей преломления в первом приближении не зависят от направления распространения
света.
Рис. 2.4. Соединение ОВ с разными диаметрами сердцевин (модовых полей)
В соответствии с рек. G651 числовая апертура градиентных многомодовых ОВ должна
удовлетворять условию NA = 0,2±0,015, а диаметр сердцевины dс = 50±3 мкм. Расчеты по (2.11) и
(2.12) показывают, что максимальные потери в этом случае могут достигать 1 и 1,3 дБ
соответственно.
Для одномодовых ОВ со смещенной дисперсией в соответствии с рек. G653,
предназначенных для работы на длине волны 1,55 мкм, диаметр модового поля должен
удовлетворять условию Dмп = 8,4±0,5 мкм, а максимальные потери, рассчитанные по (2.12), могут
достигать 1 дБ.
Реальные отклонения указанных параметров, которые обеспечивают лучшие производители
волокон, намного меньше рекомендованных G651-G654. Это обстоятельство, а также
группирование сращиваемых ОВ позволяют сваривать ОВ с потерями порядка 0,01 дБ и
изготавливать оптические разъемные соединители с потерями порядка 0,2-0,5 дБ.
Потери, обусловленные погрешностями юстировки и конструкции соединителей,
проявляются в разъемных и неразъемных соединениях. Потери в разъемных соединениях
являются следствием несовершенства, как самой конструкции соединителя, так и процесса
оконцовывания ОВ. Потери в разъемных соединениях зависят от неточности юстировки волокон
при их заделке в наконечник соединителя (радиальное, угловое и осевое смещение) и
некачественной обработки (полировки) торцов соединяемых ОВ. В разъемных соединениях эти
потери обычно являются основными.
Потери в неразъемных соединениях определяются неточностью юстировки ОВ в сварочном
аппарате перед сваркой. Однако современные сварочные аппараты имеют автоматическую
юстировку и автоматическое управление процессом сварки ОВ, обеспечивающие минимальные
потери. Вследствие этого потери в сварке в основном определяются различием параметров
свариваемых ОВ.
Рис. 2.5. Радиальное смещение осей ОВ
Радиальное смещение осей соединяемых ОВ приводит к тому, что часть энергии из ОВ1 не
попадает в ОВ2 (рис. 2.5).
Рис. 2.6. Угловое смешение осей ОВ
Рис. 2.7. Осевое смещение торцов ОВ
Потери не зависят от направления распространения света при малых смещениях h << d и
составляют, дБ:
(2.13)
  4,34  h d
Потери из-за углового смещения осей сердцевин соединяемых ОВ не зависят от
направления распространения света (рис. 2.6) при малых угловых смещениях α << 2NA и
составляют, дБ:
  2,17   d
(2.14)
Осевое смещение торцов соединяемых ОВ имеет место только в разъемных соединениях
(рис. 2.7), при этом потери, дБ:
a = 17,4NA/d,
(2.15)
где h — осевое смешение.
Приведенные формулы не являются точными и не учитывают всех физических явлений,
происходящих на стыке ОВ, но они позволяют примерно оценить необходимые точности
юстировки при сварке и изготовлении разъемов.
2.3. Дисперсия импульсов
2.3.1. Причины и виды дисперсии
Как известно, по оптическому волокну (ОВ) теоретически можно организовать передачу
огромного количества каналов связи на большие расстояния. Однако реально имеются
ограничения, обусловленные тем, что при прохождении последовательности прямоугольных
световых импульсов через определенную длину ОВ импульсы будут уширяться и, в итоге,
станет невозможным разделение соседний импульсов, т. е. возникнут ошибки передачи . Данное
явление носит название дисперсии. Дисперсия наряду с коэффициентом затухания является
важнейшим параметром, определяющим его пропускную способность.
Под дисперсией в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) понимается явление
уширения световых импульсов при прохождении по ОВ.
Уширение импульсов определяется как квадратичная разность длительности импульсов на
выходе и входе ОВ:
2
   вых
  вх2
(2.16)
где tвх, tвых - значения длительности импульсов на уровне половины амплитуды на входе и
выходе ОВ.
Дисперсия, с одной стороны, ограничивает пропускную способность или ширину полосы
пропускания ОВ, а с другой, существенно снижает дальность и скорость передачи информации
по ОК, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия.
Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием
скоростей распространения направляемых мод, направляющими свойствами оптического
волокна и параметрами материала, из которого оно изготовлено.
Основными причинами дисперсии являются:
- существование большого количества мод в ОВ;
- некогерентность источников оптического излучения.
В первом случае дисперсия называется межмодовой. Межмодовая дисперсия существует
только в многомодовом ОВ и обусловлена различной скоростью распространения в ОВ лучей
разных мод, достигающих выхода в различное время, что приводит к уширению выходного
импульса. Величина межмодовой дисперсии определяется, в основном, профилем показателя
преломления ОВ. В одномодовых ОВ межмодовая дисперсия возникает, если рабочая длина
волны меньше длины волны отсечки волокна, т. е. когда режим работы ОВ перестает быть
одномодовым.
Во втором случае дисперсия называется хроматической и обусловлена различием времени
распространения различных спектральных компонентов сигнала. Сам импульсный сигнал
представляет собой бесконечную совокупность монохроматических составляющих, частоты
которых образуют непрерывный спектр сигнала. Кроме того, оптическая несущая также
содержит бесконечное множество монохроматических составляющих в пределах спектра излучения источника.
Различие скоростей распространения каждой из направляемых мод, образующих сигнал, на
различных частотах спектра приводит к различной временной задержке частотных
составляющих сигнала, т. е. к хроматической дисперсии. Следует отметить, что при
рассмотрении хроматической дисперсии учитывают только спектр излучения источника,
поскольку он обычно намного шире спектра исходного сигнала. Чем шире спектр излучения
оптического источника, тем больше хроматическая дисперсия.
В величину хроматической дисперсии основной вклад вносят две составляющие:
материальная и волноводная дисперсии.
Материальная дисперсия τмат - дисперсия собственно материала ОВ, существующая
независимо от типа волокна (ММ или ОМ) и обусловлена зависимостью показателя преломления
и, следовательно, скорости света от длины волны.
Волноводная дисперсия τвв - дисперсия, существующая в так называемой волноводной
среде, сформированной по меньшей мере двумя средами (в большинстве случаев сердцевиной и
оболочкой), обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью
коэффициента распространения моды от длины волны.
Материальная дисперсия определяется через удельную дисперсию
τ мат  Δλ  L  М λ  ,
(2.17)
где ∆λ- ширина спектральной линии источника излучения, равная 1-3 нм для лазера и 20-40
нм для светоизлучающего диода; L - длина ОВ, км; М(λ) -удельная материальная дисперсия.
В зависимости от состава легирующих примесей в ОВ М{Х) имеет разные значения. В
инженерных расчетах для определения значений тмат используется следующее выражение:
τ мат
Δλ 2 d 2 n1

 
 L,
 с d2
где с - скорость света, км/с.
Волноводная дисперсия определяется профилем показателя
пропорциональна ширине спектра излучения источника ∆λ, т. е.
,
где В(λ) - удельная волноводная дисперсия.
(2.18)
преломления
ОВ
и
(2.19)
Рис. 2.8. Удельное значение дисперсии при различных длинах волн:
В(λ) - волноводная; М(λ) – материальная
Типичные кривые удельной материальной М(λ) и волноводной В(λ) дисперсий для
одномодового ОВ приведены на рис. 2.8. Как видно, на длине волны 1280 нм материальная
дисперсия равна нулю и изменяет свой знак. В области длин волн менее 1280 нм она
положительна, как и волноводная, а свыше 1280 нм - отрицательна, в то время как волноводная
дисперсия остается положительной. Это обстоятельство в ряде случаев позволяет
оптимизировать профиль показателя преломления волокна путем минимизации суммарной
дисперсии на определенной длине волны за счет взаимной компенсации материальной и
волноводной дисперсий.
В общем случае результирующее значение уширения импульсов
2
τ рез  τ 2 мм  τ 2 хр  τ мм
 τ мат  τ вв 
2
(2.20)
Соотношения межмодовой и хроматической дисперсий, а также волноводной и
материальной зависят от целого ряда факторов. В многомодовых ОВ уширение импульсов
определяется главным образом дисперсией, связанной с многомодовыми эффектами,
обусловленными различием групповых скоростей распространения направляемых мод и
зависимостью групповой задержки каждой моды от длины волны.
Поэтому в многомодовых ОВ волноводной дисперсией пренебрегают и величину
уширения импульсов определяют по формуле
τ рез  τ 2 мм  τ 2 мат
(2.21)
В многомодовых ступенчатых ОВ, где межмодовая дисперсия обычно на порядок
превышает материальную, уширение импульса практически определяется межмодовой
дисперсией, т. е. τрез = τмм.
В многомодовых градиентных ОВ с q-профилем показателя преломления при q = 2
межмодовая дисперсия теоретически отсутствует. На практике же дисперсия существует за счет
отклонения реальной характеристики п(r) от оптимальной зависимости, составляя величину 1-5
нс/км.
В одномодовых ОВ межмодовая дисперсия отсутствует и уширение импульсов
определяется хроматической дисперсией, т. е. τрез ≈ τхр = τмат + τвв .
Дисперсионные свойства тракта передачи зависят от источника излучения. При лазерных
источниках благодаря узкой полосе излучаемых частот дисперсия сказывается несущественно. В
некогерентных передатчиках (светодиодах) полоса излучения существенно шире и дисперсия
проявляется довольно значительно. Основной параметр ∆λ/λ, характеризующий уширение
импульса: для лазеров ∆λ/λ = 0,001, а для светодиодов ∆λ/λ = 0,1.
Следует отметить, что уширение импульсов т зависит не только от его начальной
длительности, но и от его формы, что приводит к неоднозначности оценки уширения импульсов.
С этой точки зрения длительность импульса удобно характеризовать его среднеквадратическим
значением σ.
Рис. 2.9 Среднеквадратическая длительность импульсов разной формы:
а- прямоугольного, б - треугольного, в - гауссовского
Взаимосвязь между среднеквадратической длительностью импульса с и его длительностью
т на уровне 0,5 для отдельных форм импульсов (рис. 2.9), имеющих различные аналитические
описания:
а) прямоугольный импульс
  T ,

T
2 3
 0,289  T  0.289 ;
(2.22)
б) треугольный импульс
  0,5T ,

T
2 6
в) гауссовский импульс
  log 2 2  c  0,833 c ,
1

 0,204  T  0.408 ;
T
2 2
 0,354   c  0.425 .
(2.23)
(2.24)
2.3.2. Показатель преломления материала
Оптическое волокно (ОВ) представляет собой диэлектрический волновод, в котором
процесс передачи электромагнитной энергии происходит за счет изменения диэлектрической
проницаемости е в его поперечном сечении. Поскольку ОВ используется для передачи
электромагнитных волн оптического диапазона, то вместо понятия диэлектрической
проницаемости используют связанное с ней и употребляемое в оптике понятие показателя
преломления материала ОВ n   r  r , а так как стекло является немагнитным материалом, для
которого μr = 1, поэтому n   r .
Показатель преломления п показывает, во сколько раз уменьшается фазовая скорость Uф
света, распространяющегося в оптической среде, по сравнению с фазовой скоростью с в вакууме
(воздухе):
n = c/ Uф
(2.25)
Для вакуума (воздуха) показатель преломления п = 1, а скорость распространения света
составляет с = 3∙105 км/с, поэтому для стекла с показателем преломления n = 1,5, которое обычно
используется при изготовлении ОВ, фазовая скорость, км/с:
c 3  10 5

 2  10 5 .
n
1,5
Другой особенностью оптики является то, что при описании источников излучения
используется не частота f, а длина волны λ излучаемых колебаний, что приводит к понятию
длины волны в свободном пространстве:
λ = c/ f .
(2.26)
Uф 
При распространении электромагнитных колебаний в дисперсионной среде длина волны
уменьшается до значения
λm = λ/п ,
(2.27)
причем значение показателя преломления п зависит от длины волны света.
Спектральную зависимость показателя преломления стекол, используемых для
изготовления ОВ, в диапазоне 0,6-2 мкм можно описать дисперсионной формулой Селмейера:
Ai  2
,
(2.28)
2
2
i 1   bi
где коэффициенты Аi и bi (i = 1,2,3) определяются экспериментально и измеряются как и λ в
мкм.
3
n 2 ( )  1  
Значения коэффициентов Аi и bi для стекол различных составов приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Значения коэффициентов Аi и bi
Состав стекла
Коэффициент
SiO2
i
1
2
3
Аi
bi
0,6961663
0,0684043
0,4079426
0,1162414
0,8974794
9,896161
13,5% G2O2
86,5% SiO,
Аi
bi
0,73454395
0,08697693
0,42710828
0,11195191
0,82103399
10,846540
9,1% G2O2
7,7% B2O3
83,2% SiO2
Аi
bi
0,72393884
0,085826532
0,41129541
0,10705260
0,79292034
9,3772959
13,5% Be2O3
86,5% SiO2
Аi
bi
0,67626834
0,076053015
0,42213113
0,11329618
0,58339770
7,8486094
3,I% GeO2
96,9% SiO2
Аi
bi
0,7028554
0,0727723
0,4146307
0,1143085
0,8974540
9,896161
3,0% Be2O3
97,0% SiO2
Аi
bi
0,6935408
0,0717021
0,4052977
0,1256396
0,9111432
9,896154
3,3% G2O2
9,2% B2O3
87,5% SiO2
Аi
bi
0,6958807
0,0665654
0,4076588
0,1211422
0,9401093
9,896140
91% P2O5
90,9% SiO2
Аi
bi
0,695790
0,061568
0,452497
0,119921
0,712513
8,656641
1,0% F
90,9% SiO2
Аi
bi
0,691116
0,068227
0,399166
0,116460
0,890423
9,993707
16,9% NaO2
32,5% B2O3
50,6% SiO2
Аi
bi
0,796468
0,094359
0,497614
0,093386
0,358924
5,999652
Спектральная зависимость п(λ) для чистого кварцевого стекла (SiO2) показана на рис. 2.10, а
некоторые численные значения для определенных длин волн приведены в табл. 2.3.
Рис. 2.10. Зависимость показателя преломления чистого кварца от длины волны
Как видно, значение показателя преломления постоянно уменьшается с увеличением длины
волны. В диапазоне длин волн, используемом для оптической связи, значение показателя
преломления чистого кварца находится в окрестности 1,45.
Показатель преломления чистого кварца
Таблица 2.3
Как известно, при изготовлении ОВ требуется изменение показателя преломления чистого
кварца (SiO2), что достигается добавлением различного рода примесей.
Показатель преломления чистого кварца (SiO2), может быть уменьшен путем введения таких
примесей, как окись бора (В2О3) и фтора (F), либо увеличен за счет введения таких окислов, как
окислы титана (TiO2), цезия (Cs2O), алюминия (А12О3), циркония (ZrO2), германия (GeO2) и
фосфорного ангидрида (Р2О5).
Поэтому ОВ можно изготовлять двумя способами: в первом случае сердцевина волокна
изготовляется из чистого кварца, а оболочка из кварца, легированного В2О3 или F; во втором
случае при изготовлении сердцевины волокна используется кварц, легированный GeO2 или Р2О5,
а оболочка из чистого кварца.
На рис. 2.11 приведена экспериментальная зависимость изменения показателя преломления
от длины волны для кварца, легированного различными типами примесей. Непосредственное
влияние концентрации германия на показатель преломления показано на рис. 2.12.
В общем случае значение показателя преломления п относится к световым волнам, которые
распространяются только на одной длине волны и поэтому не могут передавать какую-либо
информацию. Лишь модуляция этих волн делает возможным передавать информацию.
В цифровой оптической связи для этой цели используют световые импульсы, поэтому для
расчета времени передачи световых импульсов по ОВ используется не показатель преломления
n, а групповой показатель преломления NГР и групповая скорость распространения, связанные
соотношением
N гр  c
(2.29)
U гр
Подставляя в (2.29) значениеU гр  d
, получаем
d
 dn
c
d
d   n  d  n 
N гр 
 c
 с
 n


U гр
d
d  c 
d
d
dn dn d
2    c d 2    c


, 

Учитывая, что
и
, выражение группового показателя
d d d

d
2
преломления преобразуется к виду
2 c dn  2 
dn
  n   
,
   
 d  2 c 
d
а групповая скорость к виду
c
c
U гр 

.
dn
N гр
n
d
N груп  n 
(2.30)
(2.31)
Рис. 2.11. Зависимости показателей преломления кварцевых стекол от длины волны:
А – чистый кварц; В ─ 13,5% GeO2, 86,5% SiO2; С ─ 9,1 % P2O5; 90,9% SiO2;
D ─ 13,3% В2О3, 86,7% SiO2; E - 1,0%F, 99,0% SiO2;
F - 16,9% Na2O, 32,5% В2 О3, 50,6% SiO2
Рис. 2.12. Влияние концентрации германия на показатель преломления:
А ─ чистый кварц; В ─ 13,5% GeO2, 86,5% SiO2; G ─ 7,0% Ge O2; 93,0% SiO2; H ─ 4,1% GeO2, 95,9% Si O2
На рис. 2.13 представлен график зависимости NГР (λ) для чистого кварцевого стекла в
зависимости от длины волны λ, а численные значения NГР для определенных длин волн
представлены в табл. 2.4.
Рис. 2.13. Зависимость NГР чистого кварца от длины волны
Как видно из табл. 2.4, NГР (λ) имеет сложную спектральную зависимость. Вначале
значение NГР уменьшается, достигает минимума вблизи длины волны 1300 нм и затем возрастает
с увеличением длины волны.
Таблица 2.4
Групповой показатель преломления для чистого кварца
Выражение dn
d
в формуле (2.30) определяет наклон кривой показателя преломления
n(λ),
который в рассматриваемом диапазоне длин волн является падающим, т. е. отрицательным.
Следовательно, значение группового показателя преломления NГР при любой длине волны
больше значения показателя преломления п.
2.3.3. Материальная дисперсия
Как указывалось в предыдущем разделе, для расчета времени распространения световых
импульсов в дисперсионной среде используется групповой показатель преломления Nгр, и
групповое время распространения tгр которое для дисперсионной среды длиной L определяется
так:
t гр 
N гр  L 
L
dn  L

 n      .
U гр
c
d  c

(2.32)
Источник света, как правило, излучает свет не на одной длине волны λ, а со спектральной
шириной ∆λ, поэтому отдельные порции света в пределах NГР, распространяются с различными
скоростями и имеют различные задержки времени.
Если среда распространения дисперсионная и ширина спектра источника излучения
составляет ∆λ, то в процессе распространения световой импульс расширяется и поступает на
выход среды в течение времени
dt гр
L dN гр
L  dn dn
d 2n 
L
d 2n
(2.33)
t 
  
   
  2         2  .
d
c d
c  d d
c
d 
d
Выражение
 d 2n

 M ( ) называется удельной материальной дисперсией, пс/км∙нм.
с d2
Выражение для расчета удельной материальной дисперсии можно получить из (2.28):

3

  Ai bi /( 2  bi 2 )
dn
   i 1
d

n
 3 A b 2  (32  b 2 )  dn  2 
i
  
  i i 2
2 3
2
(


b
)
 d n  i 1
 d  
i
M ( )   2  
n
c d



,
(2.34)



.



(2.35)
На рис. 2.14 показана зависимость удельной материальной дисперсии. Для чистого кварца
на длине волны λ = 0,85 мкм величина М(λ) — 85 пс/км∙нм, при этом с ростом длины волны ее
значение уменьшается и проходит через нуль при λ = 1,276 мкм.
Таким образом, после прохождения световым импульсом расстояния L в дисперсионной
среде он расширяется, причем его длительность т на уровне половинной мощности определяется
выражением
τ мат  Δλ  L  Мλ  .
(2.36)
Как видно, уширение импульсов зависит от длины среды и ширины спектра источника
излучения. И так как ширина спектра излучения у светодиодов значительно больше, чем у
лазеров, то и уширение импульсов будет значительно больше.
Рис. 2.14. Зависимость удельной материальной дисперсии от длины волны: А - чистый кварц;
В - 13,5% GeO2,86,5% SiO2; D - 13,3,% B2O3, 86,7% SiO2
Обычно ширину спектра ∆λ источника излучения определяют как диапазон длин волн, в
пределах которого излучаемая им мощность превышает 50% максимального значения.
Однако довольно часто используется понятие относительной ширины у спектра излучения
источника

 
,

тогда после прохождения световым импульсом расстояния L в дисперсионной среде его
длительность на уровне половинной мощности

2 
L
d 2n L
  2  2      M ,
c
c
d
(2.37)
d 2n
  M - представляет собой коэффициент дисперсии материала.
d2
На рис. 2.15 представлены зависимости коэффициента дисперсии материала Yм от длины
волны для чистого и легированного кварца.
Как видно, кривая Yм(λ) так же как и М(λ) изменяет знак на длине волны λ = λ0 = 1,276 мкм.
Это значение соответствует точке перегиба кривой п(λ) (рис. 2.10). В литературе часто это
значение длины волны определяют как «длину волны нулевой дисперсии материала». С
практической точки зрения такое определение вводит в заблуждение, так как реальный световой
импульс содержит в себе спектр длин волн, которые распространяются с групповыми скоростями, лежащими в некотором интервале, даже если самая короткая и самая длинная волны
распространяются с одинаковыми скоростями.
Рис. 2.15. Зависимости дисперсионного параметра Yм от длины волны: А - чистый кварц; В - 13,5%
GeO2,86,5% SiO2; С - 9,1% Р2О5,90,9% SiO2; D - 13,3,% В2О3,86,7% SiO2
Для кварца на длине волны λ = λ0 = 1,276 мкм, Yм = 0, поэтому
 d 3 n  ( ) 2
 2  30  d 3 n 


 .
 0  3  

L
8c
8c  d3  
 d  0
0
(2.38)
 d 3n 
Для чистого кварца на длине волны λ = λ0 = 1,276 мкм значение 0  3  = -0,048,
 d   0
следовательно, (2.38) принимает вид, нс/км:

 20 2 .
(2.39)
L
Для светодиодов значение γ= 0,04, поэтому дисперсия τ /L = 32 пс/км.
При использовании лазерных источников излучения значение дисперсии будет на 2 порядка
меньше.
Дисперсия материала зависит от его состава. Так, посредством легирования чистого кварца
можно изменить ее значение в определенных пределах и тем самым оказать влияние на
положение «нулевой точки». Величину λ0 можно изменить, вводя различные добавки в кварцевое
стекло. Как видно из рис. 2.15, введение бора может сделать ее менее 1,22 мкм, а легирование
германием позволяет поднять ее до 1,37 мкм.
Уширение импульса на длине волны λ0 в случае с источником с гауссовым спектром
определяется соотношением
 ( 0 )
L
где значение
dM
d

0

 2 dM

2 d
,
(2.40)
0
1  d 2n
d 3n 
  2    3  определяет наклон кривой удельной дисперсии
C  d
d 
материала,
 3 Ai bi2 (32  bi2 )  dn  2 
  

2
2 3
d 2 n  i 1 (  bi )
 d  

n
d2
 3 12 Ai bi2 (b 2  2 )
dn dn 2 

3



d 3 n  i 1 (2  bi2 ) 4
d d2 

.
n
d3
,
Значение коэффициентов Аi и bi для стекол различных составов приведены в табл. 2.2. Для
dM
пс
 0,1
чистого кварца
.
d  0
км  нм 2
В заключение следует отметить, что длина волны нулевой дисперсии λ0 = 1,276 мкм
соответствует объемной среде. Для оптического волокна эта длина волны сдвигается до значения
порядка 1,312 мкм, чем и объясняется использование источников излучения 1,310 мкм для
одномодового волокна.
2.3.4. Межмодовая дисперсия
С точки зрения геометрической оптики световой импульс представляет собой совокупность
большого числа лучей света, распространяющихся в сердцевине ОВ, а с точки зрения волновой
теории ─ совокупность множества направляемых мод (типов волн).
Различие путей распространения направляемых мод на фиксированной частоте (длине
волны) излучения оптического источника приводит к тому, что время прохождения этих мод по
ОВ различно. В результате образуемый ими импульс на выходе ОВ уширяется. Величина
уширения импульса равна разности времени распространения самой медленной и самой быстрой
мод. Указанное явление носит название межмодовой дисперсии.
Формулу расчета межмодовой дисперсии можно получить, рассматривая геометрическую
модель распространения направляемых мод в ОВ. Любая направляемая мода в ступенчатом ОВ
может быть представлена световым лучом, который при движении вдоль волокна многократно
испытывает полное внутреннее отражение от поверхности раздела «сердцевина-оболочка».
Исключением является основная мода НЕ11, которая описывается световым лучом, движущимся
без отражения вдоль оси волокна.
При длине ОВ (рис 2.16), равной L, длина зигзагообразного пути, пройденного лучом света,
распространяющимся под углом θz к оси волокна, составляет L/cos θz.
Рис. 2.16. Пути распространения световых лучей в двухслойном ОВ
Скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны λ одинакова в
рассматриваемом волокне и равна U1 = с/n1 , где с - скорость света, км/с. Следовательно, время
распространения светового луча в сердцевине ОВ
L  n1
.
(2.41)
t ( z ) 
c  cos  z
Как видно (2.41), время распространения луча изменяется обратно пропорционально cos θz.
Значит, минимальное время распространения tmin соответствует θz =0, т. е. лучам,
распространяющимся параллельно оси, а максимальное время распространения tmax
соответствует θz = θкр, где θкр - критический угол падения светового луча на границу раздела
сердцевина-оболочка.
Таким образом, время распространения по самому длинному и .самому короткому пути
согласно (2.41):
L  n1
L  n12
L  n1
t MAX 

; t MIN 
.
(2.42)
c  cos  кр
c  n2
c
Пусть на вход ОВ подается очень короткий импульс. Начало выходного импульса совпадает
со временем прихода луча, прошедшего самый короткий путь, а конец - со временем прихода
луча, прошедшего самый длинный путь.
Следовательно, уширение импульса составит
L  n1  n1  n2  L  n1  n
.
(2.43)
 ММ  t MAX  t MIN 

c  n2
c  n2
Обычно в ОВ n1 ≈ n2, поэтому (2.43) принимает вид
n 
(2.44)
 ММ  1  L ,
c
n  n2
где   1
- относительное значение показателей преломления сердцевина-оболочка.
n1
Из формулы (2.44) видно, что уширение импульсов, обусловленное межмодовой
дисперсией, тем меньше, чем меньше разность показателей преломления сердцевины и
оболочки. Это одна из причин, почему в реальных ступенчатых ОВ эту разность стремятся
сделать как можно меньше.
Из (2.44) следует и другой вывод: уширение импульсов пропорционально протяженности
ОВ. Однако это справедливо лишь для идеального ОВ, в котором отсутствует взаимодействие
между направленными модами. На практике же из-за наличия неоднородностей (главным
образом, микроизгибов) отдельные моды при прохождении по ОВ воздействуют друг на друга и
обмениваются энергией.
Моды низшего порядка с малым углом по отношению к оси ОВ за счет обмена энергией
преобразуются в моды высшего порядка с более крутым углом по отношению к оси ОВ и
наоборот. Вследствие этого различие скоростей мод выравнивается. В геометрической трактовке
это означает, что из-за неоднородностей одни и те же лучи изменяют углы, под которыми они
распространяются по сердцевине ОВ. При этом изменение углов и задержки компонент сигнала
носят случайный характер, а разброс времени распространения мод становится
пропорциональным √L.
Важно отметить, что данное явление проявляется, начиная с определенной длины ОВ,
которая носит название «длины установившейся связи между модами» - Ly, и зависит от многих
случайных факторов, но точно рассчитана быть не может. По данным измерений для
ступенчатых ОВ Ly=5─7 км.
Таким образом, межмодовая дисперсия в ОВ со ступенчатым профилем показателя
преломления
 n1  
при L  L y ,
 c  L
 MM  
(2.45)
 n1    L  L
при L  L y .
y
 c
Межмодовую дисперсию в ступенчатых ОВ можно полностью исключить, если
соответствующим образом подобрать структурные параметры ОВ. Так, если сделать размеры
сердцевины и ∆ настолько малыми, то по волокну будет распространяться на несущей длине
волны только одна мода, т. е. модовая дисперсия будет отсутствовать. Такие волокна называются
одномодовыми. Они имеют наибольшую пропускную способность. С их помощью могут быть
организованы большие пучки каналов на магистралях связи.
Дисперсия импульсов может быть также существенно уменьшена за счет соответствующего
выбора профиля преломления по сечению сердцевины ОВ. Так, дисперсия уменьшается при
переходе к градиентным ОВ. Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, ниже на
порядок и более чем у ступенчатых волокон.
В таких градиентных ОВ в противоположность ОВ со ступенчатым профилем
распространения, лучи света распространяются уже не зигзагообразно, а по волно- или
винтообразным спиральным траекториям (рис 2.17).
Рис. 2.17. Пути распространения световых лучей в ОВ с параболической
зависимостью показателя преломления
Лучи, распространяющиеся вокруг оси ОВ, проходят более длинный путь, чем луч света
вдоль оси ОВ. Однако благодаря меньшему показателю преломления в отдалении от оси ОВ, эти
лучи распространяются в среде с меньшим п соответственно быстрее, а лучи,
распространяющиеся вдоль оси, проходят меньший геометрический путь, но распространяются в
среде с большим п, т. е. с меньшей скоростью. В результате время распространения лучей
выравнивается, и увеличение длительности импульса становится меньше.
В градиентных многомодовых волокнах время распространения оптических лучей
определяется законом изменения показателя преломления.
Так, межмодовая дисперсия в градиентных ОВ с параболическим профилем показателя
преломления qопm = 2, который широко используется па практике, рассчитывается по формуле
 n1  2
L
при L  L y ,

 2c
(2.46)
 MM  
2
n


 1
 L  L y при L  L y .
 2c
При оптимальном профиле показателя преломления qопm ≈ 2(1 - Δ) дисперсия импульсов
минимальна:
 n1  2
L
при L  L y ,

 8c
(2.47)
 MM  
2
n


 1
 L  L y при L  L y .
 8c
По данным измерений значение для градиентного ОB Ly = 10-15 км.
Из сравнения (2.45), (2.46) и (2.47) видно, что межмодовая дисперсия при оптимальном
профиле в 8/ Δ раз, а при параболическом в 2/Δ раз меньше, чем при ступенчатом. Например,
при одинаковых структурных параметрах ОВ n1 = 1,46 и ∆n = 0,015 уширение импульсов в
ступенчатом световоде составляет 50 нс/км, а в параболическом
всего 0,257 нс/км.
Межмодовая дисперсия τмм в градиентных ОВ зависит от
степени q, поэтому для минимизации дисперсии необходимо
тщательно подбирать значение q (рис. 2.18).
Изменение профиля, приближающееся к параболическому,
существенно уменьшает межмодовую дисперсию в таком
градиентном ОВ. Однако изготовить оптимальный параболический
профиль показателя преломления сложно Наряду с отклонением
значения q от требуемого возможно появление осевого провала
показателя преломления, пульсаций и других искажений профиля,
которые на порядок и более увеличивают межмодовую дисперсию.
Типичная величина уширения импульсов в полученных ОВ с оптимальным параболическим профилем составляет 0,2-4,0 не/км.
Рис 2.18. Зависимость τм от q
для градиентных ОВ
2.3.5. Совместное влияние межмодовой и материальной дисперсий
Ранее рассматривались два независимых эффекта, которые обусловливали в отдельности
межмодовую и материальную дисперсии. Но реально оба эффекта присутствуют одновременно,
поэтому возникает задача, каким образом следует их объединять при определении дисперсии.
При оценке полосы пропускания оптической системы связи или максимальной скорости
передачи необходимо учитывать форму принимаемых импульсов. Форма принятого импульса изза влияния материальной дисперсии характеризует распределение мощности по длинам волн,
образующих этот импульс. И так как оптические источники излучения в большинстве случаев
имеют гауссовское распределение по длинам волн, поэтому следует ожидать, что форма
принятого импульса будет также гауссовской относительно среднего времени прихода импульса.
В случае межмодовой дисперсии при распространении импульса по различным траекториям
можно считать, что наибольшая часть мощности переносится теми лучами, которые проходят по
среднему оптическому пути. Поэтому уширение принятого импульса за счет межмодовой
дисперсии можно также считать приблизительно гауссовской.
Предположим теперь, что уширение импульса происходит под влиянием как межмодовой,
так и материальной дисперсий, что оба механизма независимы друг от друга и каждый из них
приводит к появлению гауссовских импульсов длительностями τмм и τмат. Тогда в результате их
совместного влияния образуется импульс, который будет оставаться приближенно гауссовским
по форме, а его длительность на уровне 0,5 будет определяться выражением
2
2
 2.
   MM
  МАТ
(2.48)
Если передаваемый импульс не бесконечно короткий, а также приблизительно гауссовский с
длительностью на уровне 0,5 равной τ0, то приведенные рассуждения можно распространить и на
него, как показано на рис. 2.19, и считать длительность принятого импульса на уровне 0,5:
1
2
2
2,
   02   MM
  МАТ
1
(2.49)
- уширения импульса за счет влияния
где τ0- первоначальная длительность импульса; τмм, τмат
межмодовой и материальной дисперсий соответственно.
Воспользовавшись выражением (2.49), можно написать значение уширения импульса,
приведенное к единице длины линии:
   0
 
L  L

2
2
2
   MM    МАТ  
  
  
 

L
L
 
 
 
1
2
.
(2.50)
Здесь, как и ранее,
половинной
мощности, а величины
 MM
L
дисперсий соответственно.
τ0
и
обозначает ширину передаваемого импульса на уровне
 МАТ
L
учитывают влияние межмодовой и материальной
Импульсный
Импульсный
отклик,
отклик,
обусловленный обусловленный
Передаваемый
межмодовой
материальной
импульс
дисперсией
дисперсией
Принятый
импульс
Оптическое волокно
Рис. 2.19. Совместное влияние дисперсионных эффектов
Оценим совместное влияние межмодовой и материальной дисперсий в ступенчатых и
градиентных ОВ на различных длинах волн для следующих значений величин: τ = 0, λ = 0,9 мкм,
∆λ = 30 нм для светодиода и ∆λ = 3 нм для лазера. Для длин-волн λ = 1,3 мкм и λ = 1,55 мкм
использованы значения γ = 0,04 для светодиода и γ = 0,004 для лазера. Значение межмодовой
дисперсии на уровне половинной мощности для ступенчатых ОВ составляет приблизительно 15
нс/км, а для градиентных ОВ соответственно 0,5 нс/км. Результаты расчета совместного влияния
дисперсий представлены в табл. 2.5.
Как видно из табл. 2.5, межмодовая дисперсия преобладает во всех случаях при
использовании ступенчатого волокна. В случае градиентного волокна при лазерном источнике
будет преобладать межмодовая дисперсия. Если же применяются светодиоды, то преобладает
материальная дисперсия за исключением длин волн в окрестности 1,3 мкм.
Таблица 2.5
Влияние межмодовой и материальной дисперсий
в ступенчатых и градиентных кварцевых ОВ на различных длинах волн
Длина волны,
мкм
0,9
1,3
1,55
Источник
излучения
СД
Лазер
СД
Лазер
СД
Лазер
τмат / L,
нс/км
2,1
0,2
0,1
0,01
1,2
0,1
τ / L, нс/км
ступенчатое
градиентное
фадиентное
15
2,2
2,2
15
0,5
0,5
15
0,5
0,5
15
0,5
0.5
15
1,3
1,3
15
0,5
Таким образом, становится очевидным, что для достижения всех выгод, обеспечиваемых
малой материальной дисперсией в окрестности 1,3 мкм, необходимо уменьшить межмодовую
дисперсию до значений, меньших 0,5 нс/км. Это может быть достигнуто двумя путями. Первый
состоит в уменьшении диаметра сердцевины до тех пор, пока не будет получен одномодовый
режим работы. В этом случае общая дисперсия будет очень малой, ее значение составит порядка
10 нс/км. Второй путь состоит в очень тщательном профилировании показателя преломления в
градиентных волокнах. Лучшие градиентные ОВ имеют межмодовую дисперсию 0,2-0,3 нс/км.
2.3.6. Дисперсия в ступенчатых одномодовых волокнах
Как указывалось ранее, в многомодовых ступенчатых волокнах межмодовая дисперсия
налагает серьезные ограничения на информационную пропускную способность. Однако ее
можно исключить, если спроектировать волокно так, чтобы в нем могла распространяться только
одна мода НЕ11.
Условие одномодовости волокна


1
V  2a n12  n22 2   2,405
(2.51)
и может быть достигнуто увеличением рабочей длины волокна, уменьшением диаметра
сердцевины либо уменьшением разности показателей преломления между сердцевиной и
оболочкой.
Таким образом, в одномодовых ОВ распространяется только одна мода и уширение
импульсов определяется хроматической дисперсией, состоящей из материальной и волноводной
дисперсий.
Для оценки хроматической дисперсии в одномодовых ОВ введем небольшую коррекцию, т.
е. представим параметр материальной дисперсии Yм следующим образом:
dN 2
d (Vb) 

M  1  
 
.
(2.52)

dV 
d

По аналогии введем также параметры волноводной YВ и материальной YД дисперсий:
N 22 d 2 (Vb)

V ,
n2
dV 2
d 2 (V 2 b)
d
.
Д  N 2 
 
dV2
d
в  
Тогда дисперсия
где
с
 M   В   Д   ,
L
(2.53)
и (2.54)
(2.55)
       .
Чтобы оценить значение волноводной дисперсии YВ в (2.53), необходимо знать
значение
d 2 (Vb)
 V моды НЕ11 нормализованная характеристика b11 которой представлена на рис. 2.20.
dV 2
Рис. 2.20. Зависимость b от V моды НЕ11 для ступенчатого ОВ
Используя зависимость (рис. 2.20), можно определить значения
ступенчатого ОВ (рис. 2.21).
Для b(V) при 1,5 < V < 2,4 используется приближение вида
d 2 (Vb)
 V моды НЕ11 для
dV 2
2
0,996 

b  1,1428 
 ,
V 

после дифференцирования которого, получаем
d (Vb)
 1,306  (0,992 / V 2 ) ,
dV
откуда
 2

V  d (Vb) 2   1,984 / V 2
dV


(2.56)
(2.57)
(2.58)
и окончательно получаем
d 2 (V 2 b)
dV 2
 2,612
(2.59)
Чтобы определить относительные величины всех слагаемых в (2.53), рассмотрим в качестве
примера одномодовое волокно, оболочка которого изготовлена из чистого кварца, а сердцевина
из кварца, легированного германием.
Рис. 2.21. Зависимость
d 2 (Vb)
 V от V моды НЕ11 для ступенчатого ОВ
dV 2
Исследуем их поведение на четырех длинах волн: 0,85; 1,27; 1,35 и 1,55 мкм в
предположении, что волокно спроектировано таким образом, что на каждой длине волны ∆ =
0,005, a V=0,2. Предположим также, что на каждой длине волны имеются лазерные источники
излучения с относительной шириной спектральной линии γ = 0,003. Для получения ∆ = 0,005
потребуется концентрация примеси германия около 4,5%.
При V =2 получаем следующие значения величин, определяемых формулами (2.57)-(2.59):
d (Vb)
dV
2
 1,058 ; Vd (Vb)
dV 2
2
2
 0,496 ; d (V b)
dV 2
 2,612 .
Таблица 2.6
Параметры волокна на различных длинах волн
λ,
мкм
2а,
мкм
(при
V=2)
n2
N2
N22 / n2
Yм
Yω
Yd
Yобщ
γ
τ/L= Yобщ∙ γ/c,
пс/км
0,85
1,27
1,35
1,55
3,72
5,58
5,94
6,83
1,453
1,448
1,447
1,444
1,466
1,462
1,462
1,462
1,48
1,48
1,48
1,48
0,0215
0,00015
-0,0028
-0,0100
0,0037
0,0037
0,0037
0,0037
0,0008
-0,0008
-0,0001
-0,008
0,026
0,003
-0,0001
-0,008
0,003
0,003
0,003
0,003
260
30
1
80
Рис. 2.22. Сочетание материальной и волноводной дисперсий в одномодовом волокне
Результаты расчета дисперсионных параметров представлены в табл. 2.6.
Видно, что длине волны 0,85 мкм параметр Yм преобладает над всеми другими слагаемыми в
(2.55). Однако, как было показано ранее, с увеличением длины волны значение Yм уменьшается
до нуля, а затем изменяет знак на длине волны порядка 1,28 мкм. На более длинных волнах
волноводная и материальная дисперсии будут компенсировать друг друга. На практике это
означает, что для одномодового волокна минимум общей дисперсии сдвигается в сторону более
длинных волн, в нашем примере к 1,35 мкм.
Степень этого смещения зависит от величины YB, а следовательно, от конструкции волокна.
С учетом (2.58) находим
в  
N 22 1,984

,
n2 V 2
V  2an2 /    (2)
где
1
2
(2.60)
.
(2.61)
Окончательно
2
 1,984   N 2
в  


2
3
 2   n2
2
  2 
    .
  2a 
(2.62)
Таким образом, если надо увеличить волноводную дисперсию, необходимо уменьшить
значение V для волокна на рабочей длине волны, а это требует уменьшения диаметра
сердцевины. Чтобы довести общую дисперсию до нуля на длине волны 1,55 мкм,
соответствующей минимуму потерь, необходимо иметь параметр YB = 0,0116. В таком случае
требуемое значение величины Vd2(Vb)/dV 2 =0,0116/(0,0050∙48)= 1,57.
Из рис. 2.21 видно, что она больше своего максимального значения и, следовательно,
требуемое условие может быть удовлетворено только при увеличении ∆ и уменьшении а. При
n2V 2 
уменьшении значения V до 1,5, нужно увеличить значение ∆ до  
 0,008 и
1,984V22
1
1.984 N 22 2  2
уменьшить диаметр сердцевины 2a  
  3,84 мкм .
2 3
 2 n2  
На рис. 2.22 показано, как можно сдвинуть дисперсионный минимум в сторону длинных
волн путем уменьшения диаметра сердцевины, а значит, и нормализованной частоты V: кривые
построены для Yм и YB no формулам (2.52) и (2.62) соответственно.
Рассмотренные эффекты подтверждают факт создания одномодовых ОВ, в которых
минимум дисперсии совпадает с минимумом потерь в области 1,55 мкм.
2.3.7. Поляризационная дисперсия
В одномодовых ОВ на длинах волн, где хроматическая дисперсия равна нулю, уширение
импульсов происходив из-за поляризационной модовой дисперсии (ПМД).
Дело в том, что в одномодовом ОВ реально распространяется не одна мода, а две
фундаментальные моды - две взаимно перпендикулярные поляризации входного сигнала. В
идеальном, т. е. однородном по геометрии, волокне две эти моды распространяются с одинаковой
скоростью. Однако реальные ОВ имеют неидеальные геометрические размеры, что приводит к
разным скоростям распространения, а значит, и времени распространения этих двух мод с
разными состояниями поляризации. Отсюда поляризационная модовая дисперсия характеризуется временем дифференциальной групповой задержки между двумя ортогонально
поляризованными модами. Сама величина ПМД определяется комбинацией двух факторов:
линейного двулучепреломления и взаимодействия мод.
Два вида механизмов определяют появление поляризационной модовой дисперсии в ОВ:
внутренние и внешние. Внутренние механизмы связаны с асимметрией поперечного сечения.
Сюда относятся: некруглость сердцевины и оболочки ОВ, неконцентричности покрытия и
сердцевины по отношению к оболочке, эллиптичность покрытия. Внешние механизмы связаны с
усилиями, действующими на ОВ. К ним относятся радиальные напряжения сжатия, напряжения
сжатия и растяжения при изгибе ОВ, а также напряжения сдвига при кручении ОВ.
Поляризационная модовая дисперсия τпмд возникает вследствие разной скорости
распространения двух взаимноперпендикулярных поляризаций основной моды ОВ:
 PMD  K PMD L
(2.63)
где Кпмд - коэффициент удельной поляризационной дисперсии.
Важной особенностью ПМД является то, что ее величина не является постоянной, так как с
одной стороны характеристики асимметрии ОВ имеют случайное распределение по длине
волокна и во времени, а с другой, - зависит от технологии воздействий на ОК, таких как сжатие,
изгиб и другие. В спецификациях обычно приводятся два параметра, характеризующих величину
ПМД: индивидуального волокна и протяженной линии.
Величина ПМД одного участка линии может случайным образом складываться/вычитаться
с величиной другого участка, поэтому коэффициент ПМД
протяженной линии, состоящей из соединенных отдельных ОВ, определяется как квадратный
корень из математического ожидания квадрата коэффициентов ПМД отдельных волокон.
Поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах
с эллиптической сердцевиной и первоначально во внимание не принималась, однако в
дальнейшем по мере увеличения протяженности линий и широкополосности сигнала (полоса
пропускания 2,4 Гбит/с и выше) уменьшилось влияние ПМД как фактора, ограничивающего
дальность и скорость передачи.
Поэтому результирующая дисперсия одномодового волокна
τ
τ мат  τ вв 2  τ 2ПМД
.
(2.64)
Вследствие сложного характера явления качественная оценка поляризационной модовой
дисперсии затруднительна. Обычно значение ПМД в оптических волокнах не превышает 0,5
пс/√км.
2.4. Ширина полосы пропускания
Многомодовые ОВ характеризуются таким параметром, как ширина полосы пропускания
частот, которая определяет допустимую верхнюю частоту спектра сигнала, который может
передаваться по волокну определенной длины! Часто вместо ширины полосы пропускания
используют понятие коэффициента широкополосности S.
Ширина полосы пропускания ОВ определяется его структурными и физическими
параметрами, а также свойствами материала волокна, при этом на ширину полосы пропускания
влияют и другие факторы: поляризация излучения и эффекты, связанные с взаимодействием мод.
Например, если многомодовое волокно характеризуется коэффициентом широкополосности
500 МГц∙км, то сигнал с верхней частотой 500 МГц можно передать по ОВ длиной 1 км.
При заданном коэффициенте широкополосности полоса пропускания волокна в
зависимости от его длины определяется соотношением
∆F = S / l .
(2.65)
Как видно, чем длиннее ОВ, тем меньше полоса пропускания и, следовательно, меньше
объем передаваемой информации. Например, для многомодовых волокон с типоразмерами
50/125 нормируемые значения коэффициента широкополосности S = 400-1500 МГц∙км, то для
ОВ длиной 10 км ∆F= 40-150 МГц∙км.
Таким образом, ширина полосы пропускания ограничивает как скорость передачи, так и
расстояние, на которое может быть передан сигнал.
Ширина полосы пропускания многомодовых ОВ определяется главным образом
межмодовой дисперсией, хотя в системах на светоизлучающих диодах важную роль может
играть и дисперсия материала волокна.
Полоса пропускания ОВ в зависимости от дисперсии
S = 0,44 / τ .
(2.66)
Основным фактором, определяющим ширину пропускания одномодовых ОВ, является
хроматическая дисперсия. Полоса пропускания одномодового ОВ на длине волны минимальной
хроматической дисперсии существенно зависит от ширины спектра излучения источника. Так,
при спектральной ширине полосы излучения 5 нм максимальное значение произведения полосы
пропускания на расстояние (т. е. обобщенного параметра широкополосности) превышает 200
ГГц∙км, но при этом должно быть обеспечено строгое постоянство диаметра сердцевины по
длине волокна. Наличие незначительной эллиптичности сердцевины приводит к существенному
снижению значения параметра широкополосности. Например, при 5%-й эллиптичности
сердцевины максимальное значение параметра широкополосности уменьшается до 50 ГГц∙км.
Как указывалось выше, дисперсия материала и волноводная дисперсия, определяющие
хроматическую дисперсию, в широком спектральном диапазоне почти равны, но
противоположны по знаку, вследствие чего результирующая хроматическая дисперсия не
превышает ±1 пс/км∙нм в области длин волн λ = 1,35-1,67 мкм. Следует отметить, что на длинах
волн, где хроматическая дисперсия минимальна, ограничивать ширину полосы пропускания
могут и такие явления, как двойное лучепреломление, связанное с эллиптичностью сердцевины,
и анизотропия, наведенная механическим напряжением.
Полоса пропускания многомодовых ОВ определяется главным образом межмодовой
дисперсией, хотя в системах на светоизлучающих диодах важную роль может играть и дисперсия
материала. В свою очередь, параметрами волокна, влияющими на межмодовую дисперсию,
являются величины, характеризующие распределение показателя по сердцевине волокна
(например, для градиентного волокна со степенным законом распределения показателя
преломления наиболее важными параметрами являются ∆ и q).
Малейшее отклонение профиля показателя преломления от оптимального вызывает
уменьшение максимума обобщенного параметра широкополосности. Например, при отклонении
q на величину ∆q = 0,05, параметр широкополосности S уменьшается почти на порядок, поэтому
для достижения указанного максимального значения широкополосности ОВ требуется очень
тщательно выдерживать нужный профиль показателя преломления.
Приведенные рассуждения относительно полосы пропускания ОВ касались случая, когда
связь между модами отсутствовала, а параметр широкополосности был обратно пропорционален
длине. Однако смешение мод уменьшает разброс времен прохождения света, распределенного
между различными модами на входе. Иными словами, свет, введенный в определенную моду,
переходит в другие моды при распространении на расстояния, превышающие установившуюся
длину связи. Из-за смешения мод полоса пропускания ОВ становится пропорциональной L-γ.
Теоретическое значение
γ = 0,5, а на практике 0,5 < γ < 1. По мере установления
распределения мод при их полном смешении значение у приближается к теоретическому
значению γ = 0,5.
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
С момента появления ОК по настоящее время постоянно происходит процесс
совершенствования ОВ - основного элемента в любой конструкции кабеля. Это
совершенствование происходит в направлении улучшения конструктивных, механических и
оптических параметров, а также расширении используемого диапазона.
Кроме того, разрабатываются и внедряются новые типы ОВ, обеспечивающие передачу все
возрастающих объемов информации. Лидерами мирового производства ОВ являются компании
Corning, Lucent Technologies, Fujikura и Alcatel. Ниже приводятся сведения о современных ОВ,
используемых в конструкциях ОК.
3.1. Многомодовые градиентные оптические волокна
Многомодовое оптическое волокно (MOB) широко используется в локальных и
структурированных сетях. В связи с наметившейся тенденцией увеличения скоростей передачи
информации в указанных сетях, на первый план среди требований, предъявляемых к параметрам
MOB, вместо полосы пропускания выходит расстояние, на которое можно гарантированно
передать информацию.
Компанией Corning (США) для локальных сетей разработана серия градиентных MOB,
получивших название InfiniCor. Указанные ОВ выпускаются в соответствии с рек. ITU-T G.651 в
четырех модификациях: InfiniCor-300 (MOB 62,5/125), InfiniCor-600 (MOB 50/125), InfiniCor CL1000 (MOB 62,5/125), InfiniCor CL-2000 (MOB 50/125). Цифры указывают расстояние (м), на
которое обеспечивается высокоскоростная (гигабитная) передача.
Параметры MOB InfiniCor
Параметры
Диаметр сердцевины, мкм
Диаметр оболочки, мкм
Диаметр покрытия, мкм
Некруглость сердцевины, %
Некруглость оболочки, %
Эксцентриситет сердцевина-оболочка, мкм
Эксцентриситет оболочка-покрытие, мкм
300/1000
62,5±3,0
125±2,0
245±5
<5
≤2,0
≤3,0
≤12
Таблица 3.1
600/2000
50±3,0
125+2,0
245±5
≤5
≤2,0
≤3,0
≤12
MOB изготовляются в плотных трубчатых, свободных трубчатых либо ленточных
модулях. Конструктивные параметры MOB приведены в табл. 3.1, а оптические - в табл.3.2.
Профили показателя преломления и спектральные кривые коэффициента затухания для MOB
62,5/125 и MOB 50/125 представлены на рис. 3.1.
Таблица 3.2
Оптические параметры MOB InfiniCor
Параметры
Коэффициент затухания на волнах 850/1300 нм, дБ/км
Числовая апертура
Длина волны нулевой дисперсии, нм
Наклон кривой дисперсии в нулевой точке, пс/нм2∙км
Относительная разность показателей преломления, %
Эффективный групповой показатель преломления в
диапазонах 850/1300 нм
Дальность передачи, м
Стандартная длина MOB на катушке, км
300/1000
≤3,0/≤0.7
0,275±0.015
1332-1354
≤0,097
2
600/2000
≤2,5/≤0,8
0,200±0,015
1297-1316
≤0,101
1
1496/1487
1490/1486
300/1000
2,2-8.8
600/2000
1,1-4,4
Рис. 3.1. Профили показателя преломления и спектральные кривые коэффициента затухания
а - MOB 62,5/125, б - MOB 50/125
Физико-механические параметры одинаковы для всех четырех модификаций и имеют
следующие значения: перемотка с натяжением 0,7 Гпа; параметр динамической усталости 20;
вносимое затухание при многократном изгибе (100 витков на оправке диаметром 75 мм) ≤ 0,5
дБ; рабочий диапазон температур от -60 до +85°С; прирост затухания в рабочем диапазоне
температур ≤ 0,2 дБ/км.
Японская компания Fujikura выпускает стандартные MOB, используемые для передачи
информации на длинах волн 1310 нм, основные конструктивные и оптические параметры
которых приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Основные параметры MOB компании Fujikura
Тип
МОВ
Диаметр, мкм
оболочки
сердцевины
50/125
50±2,5
125±2,0
62,5/125
62,5±2,5
125±2,0
Длина волны,
мкм
850
1300
850
1300
Коэффициент
широкополоснос
затухания,рфициент
дБ/км
ти, МГц-км
≤2,4
≥400
≤0,7
≥600
≤3,0
≥200
≤0,7
≥600
3.2. Одномодовые волокна
По характеру дисперсии одномодовые волокна (ОМ) подразделяются:
- стандартное ОМ-СВ или с несмещенной дисперсией OM-BHD (SF-Standard Fiber, SSF или
SSMF-Standard Single Mode Fiber);
- со смещенной нулевой дисперсией ОМ-BCD (DSF-Dispersion-Shifted Fiber);
- с ненулевой смещенной дисперсией OM-BHCD (NZDSF-Non-Zero Dispersion-Shifted
Fiber).
3.2.1. Стандартные ООВ с несмещенной дисперсией
Стандартные ООВ с несмещенной дисперсией выпускаются в соответствии с рек. ITU-T
G.652 различными фирмами и компаниями.
Компания Corning выпускает стандартное ООВ SMF-28 со ступенчатым профилем
показателя преломления (рис. 3.2, а). Волокно SMF-28 оптимизировано для использования в
диапазоне 1310 нм, где величина дисперсии минимальна, а также в диапазоне 1550 нм на
разных скоростях передачи и в системах со спектральным уплотнением.
SMF-28 изготавливается методом наружного осаждения (OVD), позволяющим получать
ультрачистое волокно с хорошими геометрическими свойствами, высокой прочностью и малым
затуханием. Геометрические размеры волокна: диаметр сердцевины 8,2 мкм, оболочки 125,0±1
мкм, неконцентричность сердцевины и оболочки ≤ 0,5 мкм, диаметр покрытия 245±5 мкм,
неконцентричность оболочки и покрытия < 12мкм.
Рис. 3.2. Профили показателя преломления одномодовых оптических волокон: а - с несмещенной
дисперсией, б - со смешенной дисперсией фирмы Corning, в - со смещенной дисперсией фирмы Lucent
Technologies
Рис.3.3. Спектральные кривые коэффициента затухания стандартных одномодовых волокон с
несмещенной дисперсией: а - SMF-28, б - Matched Cladding, в - All Wave
Спектральная зависимость коэффициента затухания SMF-28 показана на рис. 3.3, а. основные
оптические параметры указаны в табл. 3.4.
Компания Corning, продолжая работы в направлении создания наиболее совершенных
изделий, создает одномодовое оптическое волокно SMF-28e. Это волокно соответствует всем
требованиям стандартного одномодового волокна и имеет малое значение затухания в области
водяных паров.
Обычно ОВ имеют увеличенное затухание вблизи 1383 нм. Этот водяной пик,
охватывающий полосу 1375-1400 нм, вызван сильным поглощением света ионами
гидроксильной группы ОН-, остающимися в волокне после изготовления. Поскольку волокно
SMF-28e имеет высокую степень очистки от ионов гидроксильной группы, данный пик в
затухании отсутствует, а сама кривая затухания во всем диапазоне 1260-1625 нм имеет гладкую
монотонную зависимость от длины волны (рис. 3.4).
Рис З.4. Спектральная зависимость коэффициента затухания ОВ типа SMF-28e
При этом затухание на длине волны 1383 нм не превышает 0,3 дБ/км.
Разновидностью SMF-28 является волокно SMF-28 с Duraclad (рис. 3.5), тонкий наружный
слой оболочки которого легирован двуокисью титана (TiO2), что повышает механическую
прочность волокна.
Конструктивные, оптические и температурные параметры ООВ такие же, как у SMF-28,
только параметр динамической усталости не 20, а 25, и перемотка производится с напряжением
0,87 Гпа вместо 0,7 (удлинение 1,25% вместо 1,0).
Компания Lucent Technologies (США) выпускает ООВ Matched Cladding со ступенчатым
профилем показателя преломления (рис. 3.3, б).
Последней разработкой компании в области ООВ с несмещенной дисперсией является так
называемое волокно All Wave (всеволновое). Благодаря уменьшению концентрации ионов ОН- в
стекле за счет тщательной очистки, пик затухания на длине волны 1383±3 нм в All Wave снижен
до значения 0,31 дБ/км. Это обстоятельство позволяет использовать All Wave в широком
диапазоне частот: от 1310 до 1550 нм (рис. 3.3, в). Все прочие параметры в основном такие же,
как у современных стандартных ООВ.
Рис.3.5. Одномодовое стандартное OB SMF-28 с титановым слоем (Duraclad): 1 сердцевина, 2 - оболочка, 3 - защитное покрытие, 4 - титановый слой
Волокно All Wave рекомендуется для использования на относительно коротких линиях
зоновых, городских и локальных сетей.
Стандартные ООВ с несмещенной дисперсией выпускаются также японскими компаниями
Fujikura и Sumitonio. Конструктивные, механические и оптические параметры ООВ,
выпускаемые указанными компаниями, аналогичны параметрам соответствующих волокон
компаний Corning и Lucent Technologies.
Волокна с несмещенной дисперсией широко используются в настоящее время для любых
применений. Их единственный недостаток ~ большая хроматическая дисперсия на длине волны
1550 нм, имеющая значение 17-20 пс/нм∙км.
3.2.2. ООВ со смещенной нулевой дисперсией
Смысл разработки таких ОВ со смещенной нулевой дисперсией заключается в следующем.
Стандартные ООВ (типа SMF-28 и др.) оптимизированы для работы в окне прозрачности 2, где
они имеют точку нулевой дисперсии. В то же время допускается их применение в окне
прозрачности 3, где коэффициент затухания в 1,5 меньше. Однако хроматическая дисперсия
возрастает там до 18 пс/нм∙км (рис. 3.6, кривая 1), тогда как в окне 2 ее максимум составляет 3,5
пс/нм∙км.
Вследствие этого сужается полоса пропускания. Благодаря изменению профиля показателя
преломления ООВ со ступенчатого в поперечном сечении на более сложный - условно Wобразный ООВ Corning (рис. 3.2, б) и условно треугольный ООВ Lucent Technologies (рис. 3.2, в)
- точка нулевой дисперсии сдвинута в окно прозрачности 3 на волну 1550 нм (рис. 3.6, кривая 2).
Рис. 3.6. Кривые дисперсии оптических волокон компании Corning: 1 - с несмещенной дисперсией SMF28; 2 - со смещенной нулевой дисперсией SMF-DS; 3 -со смещенной ненулевой дисперсией SMF-LS;
4-с большой эффективной площадью LEAF
ООВ со смещенной нулевой дисперсией выпускаются в соответствии с рек. ITU-T G.653. В
их условное обозначение добавляются буквы DS -Dispersion Shifted (например, SMF-DS).
Основные оптические параметры волокон SMF-DS представлены в табл. 3.4. Как видно, по
сравнению со стандартным волокном SMF-28 здесь несколько уменьшен наклон кривой
дисперсии и диаметр поля моды. Хроматическая дисперсия в области длин волн 1525-1575 нм
составляет D(λ)≤ 2,7 пс/нм∙км.
Выпускают ООВ со смещенной нулевой дисперсией целый ряд и других фирм, например,
Philips, Pirelli, Samsung. Однако распространения волокна DS не получили. Причина заключается
в принципиально новой идеологии построения волоконно-оптических систем передачи применение оптических эрбиевых усилителей в сочетании со спектральным уплотнением линий,
т. е. передачей сигналов не на одной, а на нескольких длинах волн в пределах одного окна
прозрачности (WDM).
Волокна со смещенной нулевой дисперсией широко используются для систем SDH
(особенно STM-16 и выше) с одной несущей. Однако если в перспективе предстоит переход на
системы с WDM, их использование нежелательно ввиду ярко выраженного эффекта 4-волнового
смешения.
3.2.3. ООВ со смещенной ненулевой дисперсией
Спектральному уплотнению ВОЛС препятствуют нелинейные эффекты, в частности,
эффект так называемого 4-волнового смешения, который наиболее сильно проявляется вблизи
точки нулевой дисперсии λ0. Световые импульсы, находящиеся в двух соседних с λ0
спектральных каналах λ1 и λ2, при распространении по волокну формируют 2 симметрично
расположенных паразитных канала, которые накладываются на другие рабочие каналы и
создают помехи. Во избежание этого точка нулевой дисперсии была вынесена за пределы 3-го
окна прозрачности (1530-1565 нм). При этом подавлению помех способствует наличие
небольшой дисперсии в рабочем окне прозрачности.
Так были созданы ООВ - также со смещенной, но ненулевой дисперсией Non Zero Dispersion
Shifted (NZDS), удовлетворяющие рек. ITU-T G.655. Точка нулевой дисперсии в них смещена в
область более длинных волн, например, 1565-1570 нм в результате корректировки либо Wобразного или треугольного профиля показателя преломления, либо разности показателей
преломления сердцевины и оболочки ООВ. В волокнах NZDS нелинейные эффекты в основном
подавляются.
Волокна со смещенной ненулевой дисперсией компании Corning получили обозначение
SMF-LS(Long Shifted), a Lucent Technologies - наименование True Wave. Оптические параметры
ООВ различных компаний представлены в табл. 3.4-3.6.
Фирмой Corning в результате дальнейшего совершенствования ООВ со смещенной
ненулевой дисперсией NZDS разработано волокно NZDS с увеличенной площадью поля моды и
соответственно светового потока (Large Effective Area Fiber, LEAF) по сравнению ООВ типа LS.
Площадь его модового пятна, т. е. световедущей зоны почти на 30% больше, чем у SMF-LS
(соответственно 72 мкм2 вместо 55 мкм2). Благодаря этому можно повысить уровень оптической
мощности, вводимой в ОВ, на 2 дБ без достижения при этом порога возникновения нелинейных
эффектов. В результате длины регенерационных участков увеличиваются на 10-15%.
Так как оптические волокна с более высокой площадью модового пятна обеспечивают
одновременное уменьшение влияния всех нелинейных искажений, которые являются серьезным
ограничением в многоканальных системах с DWDM, волокно LEAF создает возможность более
эффективного спектрального уплотнения (DWDM) при большей гибкости использования
каналов.
Помимо улучшенных по сравнению с другими волокнами NZDS эксплуатационных
показателей в обычном диапазоне (1530-1565 нм), волокно LEAF позволяет выйти на новые
технологические рубежи в развитии волоконно-оптических сетей и приступить к освоению
длинноволнового диапазона (1565-1625 нм), а благодаря возможности увеличения дальности
передачи оптического сигнала, волокно LEAF требует меньшего числа линейных регенераторов,
что дает экономию при построении сетей.
Таблица 3.4
Основные оптические параметры ООВ компании Corning
Параметры
Коэффициент затухания, дБ/км
на волнах 1310 нм
1550 нм
1625 нм
Диаметр поля моды, мкм
на волнах 1310 нм
1550 нм
Длина волны
нулевой дисперсии λ0, нм
Хроматическая дисперсия, пс/нм∙км
на волнах 1525-1575 нм
1530-1560 нм
1530-1565 нм
1565-1625 нм
Наклон кривой дисперсии So,
пс/нм2 ∙км
Поляризационная модовая
дисперсия, пс/ √км
волокна
линии
SMF-28
SMF-DS
SMF-LS
LEAF
≤0,34
≤0,20
─
─
≤0,25
─
≤0,50
≤0,25
─
─
≤0,22
≤0,25
9,20±0,40
10,35±0,80
1301,5-1321,5
─
8,10x0,65
1535-1565
6,6
8,40±0,50
-
─
9,2-10,00
-
─1)
≤2,72)
-(0,1-З,5)3)
≤0,090
≤0,085
─
2,0-6,04)
4,5-11,25)
─
≤0,2
≤0,1
≤0,5
─
≤0,5
─
≤0,2
≤0,08
Разность показателей преломления, %
сердцевины-оболочки
Числовая апертура
Длина волны отсечки в кабеле, нм
─_
0,17
1260
0,36
0,13
1260
─_
0,16
1260
─
─
─
Основные оптические параметры ООВ компании Lucent Technologies
Параметры
Коэффициент затухания, дБ/км
на волнах 1310 нм
1385 нм
1550 нм
Диаметр поля моды, мкм
на волне 1310 нм
1550 нм
Хроматическая дисперсия, пс/нм∙км
на волнах 1540-1560 нм
1530-1565 нм
1565-1620 нм
1310 нм
Наклон кривой дисперсии S0, пс/нм2∙км
Поляризационная модовая дисперсия волокна
волне 1550 нм. пс/√км
Длина волны отсечки в кабеле, нм
Разность показателей преломления сердцевиныоболочки,%
All Wave
True Wave
≤0,35
≤0,31
≤0,21-0,25
≤0,5
<0,1
0,22-0,25
─
8,4±0,6
9,3±0,5
10,5±1,0
Длина волны отсечки, нм
в волокне
в кабеле
Наклон кривой дисперсии, пс/нм2∙км
Эффективная площадь сечения ОВ, мкм2
Потери в пике ОН- на волне 1380-1390 нм, дБ/км
Поляризационная модовая дисперсия (ПМД) на
волне 1550 нм. пс/√км: максимальная
средняя
True Wave RS
≤0,4
≤1,0
0,22-0,25
─
8,4±0,6
─
─
─
─
≤0,092
0,8-4,6
─
─
─
≤0,095
─
2,6-6,0
4,0-8,6
9
≤0,050
≤0,5
≤0,5
≤0,1
≤1260
≤1260
─
0,75
Основные оптические параметры ООВ компании Alcatel
Параметры
Коэффициент затухания, дБ/км
на волнах 1310 нм
1285-1330 нм
1550 нм
1525-1575 нм
1625 нм
Диаметр поля моды, мкм
на волнах 1310 нм
1550 нм
Хроматическая дисперсия, пс/нм∙км
на волнах 1285-1330 нм
1440 нм
1550 нм
1530-1565 нм
1565 нм
1600 нм
Длина волны нулевой дисперсии, нм
Таблица 3.5
≤1260
─
Таблица 3.6
ASMF-200
Teralight
0,34
0,38
0,21
0,25
─
─
─
0,25
0,28
0,25
9,1±0,5
─
─
9,2±0,5
≤3,5
─
18
─
─
─
1300-1320
─
0,1
8
5,5-10
8,9
10,9
1440
1150-1330
1260
0,092
─
≤2,0
─
<1300
0,058
65
≤1
0,2
0,1
0,2
0,1
Примечание. Хроматическая дисперсия (пс/нм∙км) рассчитывается по формулам:

4 
   03  - в диапазоне 1200-1600 нм,
 

2) D( )  S 0 (  0 ) - диапазоне 1500-1600 нм,
S
1) D( )  0
4
 D(1560)  D(1530)

   1560   D(1560) ,
3) D( )  
30


 D(1565)  D(1530)

   1565  D(1565) ,
4) D( )  
35


 D(1625)  D(1565)

   1625  D(1625) .
5) D( )  
60


Компанией Lucent Technologies разработано несколько типов одномодовых ОВ, среди
которых следует назвать волокно True Wave (табл. 3.5). Это волокно с ненулевой дисперсией,
способное работать в окнах прозрачности 3 и 4, имеет пологую кривую зависимости затухания
от длины волны в этих окнах и малую чувствительность к изгибам (рис. 3.7). Волокно True Wave
имеет гладкую и пологую зависимость хроматической дисперсии от длины волны (рис. 3.8)
благодаря чему обеспечивается эффективное подавление 4-волнового смещения.
Рис. 3.7. Зависимость потерь в волокне True Wave от длины волны
Волокно Lucent Technologies марки True Wave RS (Reduce Slope) обладает по сравнению с
True Wave 1-го поколения малым наклоном кривой дисперсии (≤0,05 вместо ≤0,095 пс/нм2∙км).
Более пологая кривая дисперсии сохраняется в обоих окнах прозрачности 3 и 4. Волокно True
Wave RS имеет весьма малую поляризационную модовую дисперсию (≤0,1 пс/√км )
Компания Alcatel также выпускает ООВ с увеличенной площадью поперечного сечения
(Аэф=65 мкм2) марки Teralight. Кривая дисперсии рассчитана так, что точка нулевой дисперсии
смещена на длину волны λ0=1440 нм.
Кроме того, уменьшен наклон кривой дисперсии, благодаря чему появляется возможность
спектрального уплотнения в области 1450 нм и выше (окно прозрачности 5). Суммарный объем
информации, передаваемый по волокну, при интервалах между соседними каналами 50 ГГц (0,4
нм) может достигать в перспективе 1,6-2,0 Тбит/с.
Все три типа волокна (NZDS-LEAF, True Wave RS и Teralight) могут одновременно работать
в окнах прозрачности 3 (1530-1565 нм) и 4 (1565-1625 или 1565-1620 нм). Благодаря этому
увеличивается число рабочих длин волн при спектральном уплотнении волокон.
Рис. 3.8. Зависимость дисперсии от длины волны
В отличие от SMF-LS точка нулевой дисперсии LEAF, True Wave и Teralight сдвинута в
область не более длинных, а более коротких волн (например, 1520-1525 нм). Сравнить
оптические, конструктивные и механические параметры всех трех типов волокон можно по
данным табл. 3.4-3.7.
Таблица 3.7
Конструктивные и механические параметры
Параметр
Диаметр оболочки, мкм
Эксцентриситет сердцевины-оболочки, мкм
Некруглость оболочки, %
Диаметр покрытия, мкм
Эксцентриситет покрытия-оболочки, мкм
Радиус собственного изгиба волокна, м
Перемотка с натяжением, Гпа
Изгибостойкость - прирост затухания
на 1 виток, оправка 32 мм, дБ/км:
длина волны 1550 нм
1600 нм
1625 нм
На 100 витков, оправка 75 мм, дБ/км:
1550 нм, 1600 нм
1625 нм
Усилие снятия покрытия, Н
LEAF
125±1
≤0,5
≤1
245±10
≤12
≥4,0
≥0,7
True Wave RS
125±1
≤0,6
≤1
245±10
≤10
≥2,0
0,7
Teralight
125±1
≤0,6
≤2
245±10
≤10
≥4,0
≥0,7
<0,50
─
≤0,50
≤0,5
≤0,6
─
≤0,5
─
≤0,5
≤0,05
≤0,05
3,0
≤0,05
─
1,3-8,9
≤0,05
─
>1
Рабочий диапазон температур для всех волокон Corning, Lucent Technologies и Alcatel
одинаков: от -60° до +85°С.
На мировом рынке наибольшим спросом пользуются ООВ со смешенной -ненулевой
дисперсией NZDS и, судя по всему, они наиболее перспективны. Особенно это относится к
волокнам True Wave RS, LEAF, Teralight, допускающих передачу больших информационных
потоков.
4. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОВ
4.1. Методы измерения затухания
В общем виде затухание сигнала между точками 1 и 2 направляющей системы
a  10 lg( P1 / P2 ) ,
где Р1, Р2 ─ мощности сигнала в точках 1 и 2, Вт,
или разность уровней
a  p1  p2 ,
где p1, p2 - абсолютные уровни сигнала по мощности в точках 1 и 2, дБм.
Как известно, абсолютный уровень сигнала по мощности в некоторой точке k
(4.1)
(4.2)
(4.3)
pk  10 lg( Pk / PM ) ,
где pk - абсолютный уровень сигнала по мощности в точке k, дБм; Pk -мощность сигнала в точке
k, мВт; Рн - мощность нормального генератора, равная 1 мВт.
Таким образом, для оценки затухания ОВ необходимо измерить мощности оптического
сигнала на входе и выходе ОВ.
Для измерения затухания в ОВ в основном используются методы сравнения уровней и
обратного рассеяния.
Метод сравнения уровней в зависимости от конкретных условий измерения имеет
несколько разновидностей.
Отечественный стандарт рекомендует две разновидности метода сравнения уровней на
входе и выходе ОВ (ОК): обрыва и вносимых потерь.
Первый метод, более точный, связан с разрушением испытуемого ОВ, который
уменьшается на 3-5 м после каждого измерения. Этот метод применяют для измерений
коэффициента затухания на ОВ известной длины, не армированных оптическими
соединителями (обычно на строительных длинах при входном контроле).
Второй метод применяют для измерения вносимых потерь на смонтированных участках,
когда ОВ армированы оптическими соединителями.
Величина коэффициента затухания а зависит от средней длины волны λ источника
излучения, а также от ширины спектра источника излучения ∆λ, поэтому эти параметры должны
быть точно известны (стандартизованы). В процессе измерения необходимо обеспечить
постоянство мощности излучения, вводимой в ОВ, и неизменность модового состава при
измерении на многомодовых ОВ.
Если методы обрыва и вносимых потерь достаточно просто реализуются относительно
недорогими средствами, то метод обратного рассеяния требует применения специальных
дорогостоящих средств измерения - оптических рефлектометров.
4.2. Метод обрыва
Для измерений отбирают отрезки ОВ (ОК) с известной длиной L. Необходимо помнить, что
погрешность определения коэффициента затухания увеличивается при уменьшении длины ОВ. В
соответствии с ГОСТ 26814-86 для подготовки образцов необходимо:
- оба конца измеряемых ОВ освободить от защитных покрытий, входной на расстоянии не
менее 1 м, выходной - не менее 0,5 м;
- концы каждого ОВ освободить на длине 10-50 мм от первичных и вторичных защитных
покрытий (оболочек);
торцевые поверхности ОВ на обоих концах ОК обработать так, чтобы они были ровными,
перпендикулярными оси ОВ и не имели сколов и трещин.
Перпендикулярность сколов и отсутствие дефектов определяют под микроскопом с
увеличением не менее х20.
Упрощенная схема установки измерения по методу обрыва представлена на рис. 4.1.
Источник излучения (ИИ) через смеситель мод (СМ), фильтр оболочечных мод (ФОМ) и
устройство ввода (УВ) освещает входной торец ОВ. Прошедшее ОВ излучение поступает на
фотоприемник (ФП), электрический сигнал с которого поступает на регистрирующий прибор
(РП).
Рис. 4.1. Схема установки для проведения измерения по методу обрыва
Измерение проводится следующим образом. С помощью УВ проводят юстировку
входного торца измеряемого ОВ по максимуму сигнала на входе ФП. Фиксируют положение
входного торца и регистрируют значение выходного сигнала Р1.
Не изменяя положения ОВ в устройстве ввода, от выходного конца измеряемого ОВ
обламывают отрезок длиной 0,5-3 см. Вновь обрабатывают выходной торец ОВ и повторяют
измерение Р1. Количество измерений определяют исходя из допустимой случайной погрешности
измерения Sдп, но не менее 3 раз. Эта процедура позволяет исключить грубые ошибки из-за
плохого состояния выходного конца исследуемого ОВ.
Не изменяя положения ОВ в устройстве ввода, обламывают измеряемое ОВ после ФОМ на
расстоянии 1±0,2 м от входного торца. Подготавливают (обрабатывают) выходной конец
короткого отрезка ОВ. Регистрируют мощность Р2 излучения, выходящего из короткого ОВ.
Повторяют измерения для исключения грубых погрешностей.
Результаты измерений оформляются протоколом, в котором указывают:
- затухание и его коэффициенты в каждом ОВ;
- длину волны и спектральную ширину источника излучения;
- марку и длину оптического кабеля;
-тип, заводские номера и дату поверки (аттестации) использованного оборудования;
-погрешность измерения при выбранной доверительной информации.
Главным достоинством измерения затухания методом обрыва является исключение
(значительное уменьшение) погрешности от неопределенности уровня введенной в ОВ
мощности.
В качестве ИИ для измерения затухания на одной длине волны могут использоваться
светодиоды, полупроводниковые лазеры, а для измерений затухания в широком спектре длин
волн - лампы накаливания или газоразрядные в сочетании с монохроматором.
К источнику излучения предъявляется ряд требований:
- мощность излучения, которую можно ввести в ОВ, должна быть достаточно большой, так
как с увеличением мощности возрастает динамический диапазон измерения полного
затухания;
- источник должен иметь строго определенную, стабильную длину волны и узкую полосу
излучаемых длин волн, что обеспечивает единство измерений разными приборами;
- средняя мощность излучения и длина волны источника не должны зависеть от времени и
окружающей температуры. Для уменьшения этой зависимости используют системы
стабилизации температуры излучателя и выходной мощности.
В многомодовых ОВ затухания различных мод отличаются. Обычно моды более высокого
порядка, которые проходят по ОВ больший путь, имеют большее затухание. Измерению обычно
подлежит некоторое среднее затухание, обусловленное всеми возможными модами. В связи с
различными затуханиями мод измеренная величина затухания зависит от распределения
энергии проходящего излучения между различными модами. Для обеспечения единства измерений на одних и тех же многомодовых ОВ необходимо обеспечить во всем исследуемом ОВ так
называемое равновесное распределение мод (РРМ), которое обычно устанавливается в ОВ при
любых условиях ввода через расстояние, равное длине установления Lуст, которое для разных ОВ
может составлять от сотен метров до нескольких километров. Это особенно важно при
определении коэффициента затухания на малых (меньше 1 км) длинах ОВ.
Для формирования РРМ могут использоваться дополнительные ОВ с длиной L > Lуст или
специальные смесители мод (СМ).
Рис. 4.2. Способы подавления оболочечных мод
При измерении коэффициента затухания α на коротких участках ОВ возникает также
погрешность за счет мод оболочки — вытекающих мод. Эта погрешность может быть особенно
существенной для одномодовых ОВ. Моды оболочки возникают, если источник излучения
имеет излучающую площадку, превышающую размеры сердцевины ОВ, и если ширина
диаграммы направленности источника превышает апертурный угол ОВ. Оболочечные моды,
хотя и имеют значительно больший коэффициент затухания по сравнению с модами
сердцевины (модами распространения), тем не менее, способны распространяться на большие
расстояния. При измерении мощности источника излучения через короткое ОВ, например,
поводок, приемник зарегистрирует оболочечные моды. Это излучение фактически постороннее
при измерении коэффициента затухания (регистрации подлежат только направляемые моды),
поэтому возникает погрешность измерения коэффициента затухания, которая может иметь
Очень большую величину в одномодовых ОВ. В одномодовых ОВ можно бороться с ней с
помощью объектива (Об), формирующего увеличенное изображение торца ОВ, и установки в
плоскости изображения полевой диафрагмы (ПД), отсекающей оболочечные моды перед
приемной площадкой фотоприемника (рис. 4.2, а), или использовать фильтр оболочечных мод
(ФОМ), который обычно представляет собой отрезок ОВ, освобожденный от защитных покрытий, сложенный петлей (изогнутый) радиусом порядка 10 см и помещенный в кювету с
иммерсионной жидкостью, смачивающей оптическую оболочку ОВ на длине 5-10 см (рис. 4.2, б).
Иммерсионная жидкость должна иметь показатель преломления пi = n2, где n2 - показатель
преломления оболочки. Тогда оболочечные моды без отражения на границе оболочка-жидкость
будут переходить в жидкость, поглощаться и рассеиваться в ней.
Для измерения затухания по методу обрыва используются серийно выпускаемые
источники и приемники излучения. О серийном изготовлении смесителей мод и фильтров мод
оболочки для измерений по методу обрыва нет информации. Их надо изготавливать
самостоятельно.
4.3. Измерение вносимых потерь
Метод основан на последовательном измерении мощности оптического излучения на
выходах измеряемого ОВ и источника излучения, который присоединяется к приемнику
излучения непосредственно или с помощью вспомогательного ОВ, который так же, как и
измеряемое ОВ, армирован оптическим соединителем.
Оптические соединители, которыми армированы измеряемое и вспомогательное ОВ,
должны иметь известные уровень потерь разъемов αр при соединении и длину L.
Основное отличие метода измерения вносимых потерь от метода обрыва заключается в
использовании для измерений оптических разъемов. На практике используют две
разновидности метода измерения вносимых потерь.
В первом варианте (рис. 4.3, а) используется источник излучения с выходом в виде
гибкого оптического поводка. Проводятся два измерения: в первом измеряемое ОВ
подключают между выходом источника и фотоприемника и измеряют уровень p1; во втором
источник непосредственно подключается к приемнику и измеряется уровень р2.
Для определения затухания a вычисляют разность двух измеренных уровней
a  (~
p1  ~
p2 )  a p ,
(4.4)
куда входит среднее значение потерь в оптическом разъеме ap, соединяющем два ОВ.
Во втором варианте (рис. 4.3, б) используется источник излучения, выходной оптический
разъем которого установлен на передней панели излучателя. Для измерений используется
оптический поводок.
Рис. 4.3. Схема установки для измерения вносимых потерь
Проводятся два измерения: в первом оптический поводок непосредственно подключается
к приемнику и измеряется уровень оптической мощности p1; во втором вместо оптического
поводка между источником и приемником излучения включается измеряемое ОВ.
В результат измерения входит затухание оптического поводка apν:
a  (~
p1  ~
p 2 )  a pV .
(4.5)
Результаты измерений оформляются протоколом, содержащим те же сведения, что и в
методе обрыва.
При измерении вносимых потерь обычно используют специальные приборы - оптические
тестеры (ОТ), которые предназначены для измерений в процессе строительства и эксплуатации
ВОЛС.
Проведение измерений на протяженной линии осуществляют два человека. Для
координации их действий часто используют устройство служебной связи по двум ОВ.
Существуют также устройства дуплексной служебной связи по одному ОВ, которые своим
динамическим диапазоном перекрывают всю длину участка регенерации на одномодовом
волокне. Некоторые оптические тестеры помимо измерения вносимого затухания выполняют
также функцию оптического телефона.
4.4. Метод обратного рассеяния
Наиболее универсальным и информативным методом измерений параметров ОВ и ОК
является метод обратного рассеяния (МОР). Приборы, основанные на МОР, называются
оптическими рефлектометрами (ОР).
Впервые идею использования обратного рэлеевского рассеяния в кварцевых ОВ при их
зондировании короткими оптическими импульсами для исследования ОВ предложили
американские ученые Барноски и Персоник. Для импульсных ОР в зарубежной литературе
принята аббревиатура OTDR (Optical Time Domain Reflectometer- оптический рефлектометр
во временной области).
Риc 4.4. Упрощенная структурная схема оптического рефлектометра: ИИ - источник излучения,
НО - направленный ответвитель, ОВ - исследуемое волокно, ГИ - генератор импульсов, ФПУ фотоприемное устройство, УОС - устройство обработки сигнала, Д – дисплей
Короткий оптический импульс мощного лазера (рис. 4.4) через одно плечо направленного
ответвителя (НО) поступает в исследуемое ОВ. Обратно на вход ОР приходят оптические
импульсы, отраженные от локальных неоднородностей исследуемого ОВ. Их называют
френелевскими отражениями. Через НО они поступают на вход ФПУ. В НО происходят потери
при вводе излучения от ИИ в ВТ и при выводе излучения из ВТ на ФПУ. Коэффициент
оптических потерь обычно Коп ≤ 0,25.
Если в ОВ вводится мощность Р0, коэффициент отражения от неоднородности равен R, то
мощность отраженного импульса, приходящего на вход ОР, с учетом коэффициента затухания
ОВ а и расстояния до неоднородности l:
 l
Pr  PO RK 0n 10
5
,
(4.6)
причем длительность отраженных импульсов без учета дисперсии будет равна длительности
зондирующего импульса tи.
Временной интервал t между зондирующим и отраженным импульсами определяется
эквивалентным показателем преломления n, сердцевины ОВ и расстоянием l до
неоднородности:
2l  nt
,
(4.7)
t
c
Проходящий по ОВ зондирующий импульс рассеивается в любом сечении ОВ, а
рассеянное излучение распространяется равномерно во все стороны. Это рассеяние называют
рэлеевским и его невозможно устранить технологическими приемами при изготовлении ОВ.
Это рассеяние является линейным и его доля (коэффициент рассеяния αs) не зависит от
мощности зондирующего импульса при обычно используемых мощностях излучения.
Проходящий по ОВ оптический импульс длительностью tи одновременно вызывает
рассеяние с участка ОВ протяженностью
l  ct И
2n1 ,
(4.8)
где с - скорость света в вакууме.
Часть рассеянного излучения возвращается обратно к ОР. Она определяется фактором
обратного рассеяния G, который зависит от апертурных свойств ОВ.
Факторы обратного рассеяния для MOB и для ООВ со ступенчатым профилем показателя
преломления следующие:
2
NA2
3  
1
G
; G 
.
(4.9)

2
2  2  n1W 2
4n1
Для мощности излучения, рассеянного с участка ∆l, расположенного на расстоянии l от
ОР и пришедшего к его входу, можно записать
P5  P0 K 0n 5Gl  10
 l
5
.
(4.10)
Совокупность рассеянного и отраженного излучений из исследуемого ОВ, приходящего
на вход ОР, называют сигналом обратного рассеяния (СОР). СОР через второе плечо НО
поступает (рис. 4.4) на ФПУ. После усиления в ФПУ и логарифмирования в УОС
преобразованный СОР отображается в виде рефлектограммы на экране дисплея.
В табл. 4.1 приведены типичные значения относительного уровня СОР в ближней зоне ОВ
при длительности зондирующего импульса 1 нc.
Таблица 4.1
Значение относительного уровня СОР
Тип
ОВ
ОВ
Длина волны, мкм
0,85
1,3
1,31
1,55
Ys0, дБ
-35
-37,5
-39,5
-40,5
Типичная рефлектограмма СОР для ОВ приведена на рис. 4.5, где можно выделить
однородные участки 2 (без неоднородностей) с постоянным коэффициентом затухания а, на
которых СОР после логарифмирования выглядит, как прямая линия, наклон которой определяет
коэффициент затухания. Наряду с линейным изменением уровня СОР на рефлектограмме
имеются особенности, обусловленные различными неоднородностями. Начальный выброс
сигнала (участок 1) вызван френелевским отражением от входного торца исследуемого ОВ. Как
правило, он вводит ФПУ в насыщение, а время выхода из него определяет важный параметр ОР мертвая зона, т. е. расстояние ∆lм, на котором невозможно обнаружить неоднородности и
измерить коэффициент затухания.
Выброс сигнала с перепадом затухания (участок 4) возникает при наличии в тракте
разъемного соединителя и маленьких включений инородных примесей или пузырьков воздуха,
которые характеризуются возвратными потерями
α в = -10 lgR ,
(4.11)
где R - коэффициент отражения.
Рис. 4.5. Сигнал обратного рассеяния
Неразъемные соединения (сварные, клеевые и механические сростки волокон), в которых
обычно отсутствуют отражения, показаны на рис. 4.5 ступенькой 3. Конец ОВ или его обрыв
определяется по отраженному от заднего торца импульсу (участок 5) и участку 6 с резкими
случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленных шумами ФПУ.
Метод обратного рассеяния позволяет:
- определять по одной рефлектограмме одновременно целый ряд основных параметров
ОВ;
- проводить измерения при одностороннем доступе к ОВ;
- измерять не только общее затухание, но и распределение потерь вдоль ОВ;
- выявлять дефектные, например, замокшие участки, характеризующиеся скачкообразным
изменением сигнала обратного рассеяния;
-диагностировать текущее состояние ОВ и прогнозировать аварийные ситуации путем
сравнения только что зарегистрированной и паспортной рефлектограмм ОВ.
4.5. Измерение полосы пропускания и дисперсии оптических волокон
Полоса пропускания (дисперсия) относится к основным параметрам оптических волокон,
определяющим их информационно-пропускную способность. Для измерения полосы
пропускания многомодовых волокон могут быть использованы частотные и импульсные
методы. При частотном методе полосу пропускания волокна определяют по амплитудночастотной модуляционной характеристике (АЧМХ).
Рис. 4.6. Структурная схема измерения АЧМХ ОВ: ГИС - генератор испытательных сигналов,
СМ - смеситель мод, ИОМ - измеритель мощности, Ф - фильтр мод
Для проведения измерений (рис. 4.6) применяют генератор оптического сигнала с
гармонической модуляцией интенсивности в полосе частот, превышающей ширину полосы
пропускания волокна. Аналогичные требования предъявляют к широкополосности
оптоэлектронного преобразователя (фотоприемника) - измерителя оптической мощности или
уровня. Длина волны и ширина спектра излучения, вводимого в волокно, должны
соответствовать требованиям, установленным ТУ на измеряемый кабель.
В результате измерений получают зависимость уровня мощности на выходе от частоты
модуляции fм. На рис. 4.7 представлен пример такой зависимости и показан принцип
определения по ней полосы пропускания ∆FL кабеля Длиной L.
Коэффициент широкополосности, МГц∙км, рассчитывают по формуле
∆F = ∆FL / L∙γ ,
(4.12)
где γ- эмпирический коэффициент, значение которого находится в пределах 0,5 < γ < 1,0;
∆FL - максимальное значение частоты на уровне 3 дБм, МГц.
При импульсном методе полосу пропускания определяют
путем последовательной регистрации импульса оптического
излучения на выходе измеряемого волокна и импульса на
выходе его короткого отрезка, полученного при обрыве
волокна в начале. Форму последнего импульса принимают за
форму импульса на входе волокна. Далее, используя известные
соотношения теории линейных цепей,
вычисляют
амплитудные спектры импульсов и
АЧМХ
измеряемого волокна, а по ней определяют полосу
пропускания.
Рис. 4.7. Зависимость уровня
мощности оптического сигнала на
выходе ОВ от частоты модуляции.
Все вычисления выполняются обычно с помощью управляющей микро-ЭВМ, встроенной
в средства измерения.
Если импульсы на входе и выходе измеряемого волокна имеют гауссовскую форму, то
полосу пропускания определяют на основании измерения длительности импульсов:
FL  440
,
(4.1З)
2
t вых
 t вх2
где tвх, tвых - определяемые по уровню 0,5 длительности импульсов на входе и выходе волокна
соответственно.
2
Величина   t вых
 t вх2 - дисперсия ОВ, поэтому импульсный метод является методом
измерения дисперсии.
Для одномодовых ОВ нормируется хроматическая дисперсия. В паспортных данных
указывается коэффициент хроматической дисперсии, который определяется как уширение
оптического импульса на 1 км ОВ, отнесенное к полосе длин волн источника излучения.
Для измерения хроматической дисперсии одномодовых ОВ используются методы
временной задержки и фазовый. Оба метода удовлетворяют требованиям точности и
воспроизводимости результатов. Однако метод временной задержки реализовать сложнее,
поскольку значения коэффициента хроматической дисперсии кабелей связи меньше 1,5
пс/нм∙км, поэтому требуется применение быстродействующих устройств.
Фазовый метод более прост в реализации, поэтому чаще применяется на практике. Метод
основан на измерении фазового сдвига сигнала, модулированного по интенсивности излучения,
которым зондируют ОВ кабеля на различных длинах волн. Частота модуляции интенсивности
обычно фиксирована и лежит в пределах 30-100 МГц.
Измерение зависимости фазового сдвига φ между сигналами от длины волны λ позволяет
найти зависимость временной задержки сигнала ∆τ от λ и ее производную - хроматическую
дисперсию:
 ( ) /   ( ) / 
 ( ) 

.
(4.14)
L
L
Обычно измерения ∆τ(λ) производят по точкам, а затем полученную зависимость ∆τ(λ)
аппроксимируют многочленом. Как правило, все вычисления и сам процесс измерения
выполняются автоматически с помощью микропроцессорных устройств, встроенных в средства
измерения, или внешней ПЭВМ. Точность данного метода порядка 1,0 пс/нм∙км. Переход на
лазерное излучение и более высокую частоту модуляции позволяет повысить точность
измерения.
4.6. Измерение параметров формы оптических импульсов
Параметры формы оптических импульсов на выходе излучателя и на входе ФПУ обычно
измеряют с помощью глаз-диаграммы. Для контроля за формой импульса используют
шаблоны, которые совмещают с глаз-диаграммой (рис. 4.8). Импульсы от тактового генератора
(ТГ) с тактовой частотой ВОСП поступают на генератор псевдослучайной последовательности
(ГПСП), управляющий источником излучения (ИИ). Оптические импульсы с помощью ФПУ
преобразуются в напряжение, поступающее на вход Y осциллографа (ОСЦ). На вход С
синхронизации ОСЦ поступают импульсы от ТГ. Длительность развертки обычно выбирается
равной двум периодам ТГ. При этом на экране одновременно можно наблюдать все возможные
формы импульсов. Их количество определяется числом элементов в одном периоде ПСП,
который выбирается в соответствии с используемой в ВОСП системой кодирования
(наибольшим числом подряд идущих единиц и нулей).
Рис. 4.8. Схема получения глаз-диаграммы
Анализ глаз-диаграммы позволяет определять значительное количество параметров
импульсов:
- длительность и форму,
- длительности переднего и заднего фронтов,
- относительную ширину глаз-диаграммы,
- коэффициент гашения.
Сопоставление результатов измерения по глаз-диаграмме в точках на выходе излучателя и
входе ФПУ позволяет оценить дисперсионные искажения в линейном тракте (уширение
импульса).
ЛИТЕРАТУРА
1. Верник С.М., Гитин В. Я., Иванов В. С. Оптические кабели связи М :
Радио и связь. 1988.
2. Мальке Г., Гессинг П.
Волоконно-оптические кабели: Основы
проектирования кабелей, планирование систем. Новосибирск: Издатель, 1997
3. Гауэр Дж. Оптические системы связи / Пер. с англ. М.: Радио и связь,
1989
4. Иванов В.С., Кочановский Л.И. Волоконно-оптические кабели связи.
Конструкции и характеристики: учебное пособие. СПб: ООП Петербургкомстат,
2003.
5. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и линии
связи.
М.: Эко-Трендз, 2002.
6. Иванов А.Б. Волоконная оптика, компоненты, системы передачи,
измерения.
М.: Компания Сайрус Система, 1999.
7. Воронцов А.С., Турин О.И., Мифтяхитдинов С.X. и др. Оптические кабели
связи российского производства: спр-к. М.: Эко-Трендз, 2003.
8. Берлин Б.3., Брискер А.С., Иванов В.С. Волоконно-оптические системы
связи
на ГТС. М.: Радио и связь, 1994.
9. Гроднев И.И., Мурадян А.Г. и др. Волоконно-оптические системы
передачи
и кабели: спр-к. М.: Радио и связь, 1993.