Волоконно-оптические линии связи

 

Главное отличие электромагнитных волн друг от друга заключается в их частоте и длине волны. В различных средах скорость света различная. С точки зрения волновой теории, пе­ре­ход в среде из одной среды в другую приводит к изменению направления движения волн. С точки зрения лучевой теории, луч света с различной оптической плотностью пре­тер­певает преломление или отражение.

Показатель преломления: .

Кроме того, волны с различными длинами распространяются с различными скоростями в одной и той же среде. Это имеет большое значение в волоконной оптике.

                              

 - предельный угол полного внутреннего отражения

 

 

Продольный разрез волокна

Направляемые лучи (моды) распространяются вдоль сердцевины волокна и обеспе­чи­ва­ют передачу информации (лучи 1 и 2).

 

 - апертурный угол или апертура. Угол между оптической осью и одной из обра­зу­ющих светового конуса, падающего в торец оптического волокна при котором вы­пол­ня­ют­ся условия полного внутреннего отражения.

Угол  определяется числовой апертурой NA:

 

Мода – понятие математическое и физическое. Это понятие связанно с процессом распространения электромагнитных волн в среде. В своей математической формулировке медовая теория возникает из уравнений Максвелла.

Мода представляет собой возможные решения уравнений Максвелла, т.е. его корни.

Под модой понимается также электромагнитная световая волна, возникающая в воло­кон­ном световоде при попадании на торец световода излучения внешнего источника. Свет, распространяющийся в световоде, можно разложить на отдельные составляющие – моды. Каждая мода распространяется со своим значением скорости, поляризации и рас­про­стра­не­ния амплитуды в поперечном сечении. На рисунке представлено распределение ампли­ту­ды и фазы для первых трех мод волокна.

 

Фазовый фронт – плоский и перпендикулярен оси оптического волокна. Моды имеют плос­кую волновую поверхность и являются линейно-поляризованными. Основное досто­ин­ство представления света в виде суммы мод, состоит в том, что при рас­про­стра­не­нии в волокне, мода не меняет своего расположения амплитуды и фазы в поперечном сечении. В то же время каждую моду можно пред­ста­вить в виде лучей, образующих конус. Чем вы­ше номер моды, тем больше угол лучей ра­ство­ра, образующих конус. Свет, рас­про­стра­ня­ющий­­ся по волокну, можно представить только полным набором таких лучей.

 

 

Типы световодов

Функцию зависимости показателя преломления от радиуса называют профилем показателя преломления (ППП).

 - показатель преломления вдоль оси оптического волокна ();

 - нормированная разность показателей преломления;

- текущий радиус, мкм.

 - радиус сердцевины, мкм.

u - показатель степени профиля.

 

Отдельные случаи зависимости показателя преломления от радиуса

 

В зависимости от профиля показателя преломления оптическое волокно получило название:

1) многомодовое ступенчатое;

2) многомодовое градиентное.

Распространение света по оптическому волокну разного типа

Число мод, допускаемых волокном, колеблется от 1 до 100 тысяч. Таким образом, волокно позволяет свету распространяется по множеству траекторий, число которых зависит от размеров и свойств волокна.

       Многомодовое оптическое волокно

ступенчатое

градиентное

 

       Одномодовое оптическое волокно

Кроме профиля показателя преломления, другой важной величиной для описания свойств световода является структурный параметр:

 - радиус сердцевин;

 - длина волны.

Число мод N, распространяемых в сердцевине зависит от этого параметра и для любого профиля показателя преломления:

.

Когда  волокно поддерживает только одну моду, т.е. волокно – одномодовое. Максимальная длина волны , при которой в волокне распространяется только одна мода, на­зы­ва­ется длиной волны отсечки или критической длиной волны.

При заданном значении  числовой апертуры NA и радиусе сердце­ви­ны ее можно рассчитать исходя из этого условия:

.

При одномодовым режиме передачи, чем меньше длина волны , тем меньше энергия поля моды концентрируется внутри сер­деч­ника. С увеличением длины волны  про­ис­хо­дит пе­ре­рас­пре­де­ление поля между сердцевиной и оболочкой. Величина напряжения U, влияет на число мод.

Фрагмент таблицы номенклатуры мод.

 

V	N	Типы мод
0-2.405	1	НЕ11 (основная мода)
2.405-3.832	4	НЕ11 Н01 Е01 НЕ21
3.832-5.136	7	НЕ11 Н01 Е01 НЕ21 НЕ12 ЕН11 НЕ31
5.136-5.52	9	НЕ11 Н01 Е01 НЕ21 НЕ12 ЕН11 НЕ31 ЕН21 НЕ41

Структура схемы связи по ВОЛС

ВОЛС – Волоконно-оптическая линия связи, в которой информация передается по оптическим, диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

ВОСП – (Волоконно-оптические системы передачи) совокупность оптических устройств и оптических линий передачи для создания, обработки и передачи оптических сигналов. Оптическим сигналом при этом служит модулированное излучение лазера или светодиода, который в виде совокупности различных типов оптических волн (мод) передаются по оптическому волокну линии передачи.

ВОС – (Волоконно-оптическая сеть) информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются ВОЛС.

 

Типовая схема ВОС

 

Спектр излучения:

1 – лазер;

2 – светодиод.

 

 

Основные характеристики оптического волокна

Затухание

Затухание – уменьшение оптической мощности сигнала при передаче по оптическому волокну вследствие внешних и внутренних факторов. От величины затухания зависит длительность передачи между двумя источниками связи. Затухание выражается в децибелах, имеет отрицательную величину.

P_c - мощность выходного сигнала;

P₀ - мощность входного сигнала.

Иногда в этом соотношении используется постоянное значение P₀. В волоконной оптике:

P₀ - 1мВт и тогда затухание измеряется в дБм – децибел соотнесенный к милливатту (отри­цательный знак сохраняется). Для упрощения расчета потерь по длине линии, затухание измеряется в дБ/км.

 

 

Типичная зависимость удельных потерь от длины волны

	1	780 – 860 нм
О	2	1280 – 1325 нм
С	3	1525 – 1565 нм
L	4	1565 – 1620 нм
S	5	1325 – 1450 нм

О – основной диапазон

С – стандартный диапазон

L – длинноволновый диапазон

S – коротковолновый диапазон

 

Данная кривая носит иллюстративный характер, так как для разных типов ОВ от разных про­изводителей величина потерь может различаться. Первое окно прозрачности исполь­зо­валась в 70-х годах в первых линиях связи на многогодовых волокнах. Тогда, полу­про­вод­ни­ковые источники излучения выпускались только на 850 нм. В настоящее время из-за большой величины потерь в волокне этот диапазон используется в основном в локальных вычислительных сетях.

Второе окно прозрачности стало использоваться в 80-х годах в линиях дальней связи. После того, как были разработаны источники излучения 1300 нм. В настоящее время второе окно прозрачности используется преимущественно в городских и зоновых линиях.

Третье окно прозрачности было освоено в начале 90-х годов. В него попадают полоса усиления оптического усилителя и абсолютный минимум поглощения в кварцевом волокне. Третье окно прозрачности наиболее широко используется в магистральных линиях. В настоящее время с развитием системы мультиплексирования каналов длинами волн (DWM) стали использовать 3-е, 4-е и 5-е окна прозрачности.

Причины возникновения потерь в оптическом волокне

1. Потери на рассеяние (Релеевские потери);

Обусловлены рассеянием света на случайных изменениях плотности вещества (стекла). В данном случае неоднородности в волокне соизмеримы с длиной волны света. Лучи, попадая на них, меняют свое направление распространения и уходят из сердцевины.

По мере увеличения длины волны потери из-за рассеяния убывают пропорционально длине волны в 4-й степени.

2. Потери на поглощение;

Вызваны инфракрасным поглощением. На практике для чистого стекла, основные потери на поглощении возникают на длинах волн свыше 1700 нм. В процессе изготовления оп­ти­чес­кого волокна в него попадают пары воды и металлы (Ni, Fe, Cr и др.). Наличие этих примесей вызывает локальные всплески уровня потерь в диапазоне 800 – 1700 нм связанные с резонансным поглощением.

Для получения приемлемого уровня потерь концентрация примеси не должна превышать 10^-9. Этот тип потерь зависит от технологии изготовления ОВ и имеет тенденцию к снижению.

3. Потери на изгибах.

Макроизгиб                                               Микроизгиб

Потери на изгибе увеличиваются с уменьшением радиуса изгиба. Если радиус изгиба больше 20-ти внешних диаметров кабеля, то потери пренебреженно малы. Причины появления макроизгиба кабеля могут возникнуть во время прокладки кабеля.

Микроизгиб – микродивиация волокна относительно оси. Линейная амплитуда этих колебаний составляет несколько микрон, а их период не превосходит миллиметра. Причины появления связаны с технологией производства волокна и кабеля.

 

 

Допустимый уровень потерь в ЛС

Расчет уровня потерь в линии связи необходим для определения запаса по мощности, при проектировании линии. Выбор приемного и передающего оборудования задает запас по мощности сигнала, который определяется как разность между выходной мощностью передатчика и чувствительностью приемника. Для нормального функционирования линии связи необходимо, чтобы запас по мощности превосходил суммарные потери в линии, которые определяются следующим образом:

l - длина линии;

α - собственное затухание ОВ;

α_р - потери на разъемных соединениях;

α_св - потери на сварных соединениях;

N - число строительных длин, уложенных в линии (  - длина строительной длины).

 

Дисперсия

Под дисперсией понимается увеличение длительности оптического импульса при прохождении импульса определенной длины (обычно в км). Результирующее значение импульса определяется по следующей формуле:

м – материальная;

в – волноводная;

хр – хроматическая.

С учетом реального соотношения величины отдельных составляющих дисперсии для многомодового волокна можно считать, что , а для одономодового волокна: . Дисперсия ограничивает ширину полосы пропускания ΔF, а следовательно и информационную емкость кабеля. Ширина полосы пропускания ΔF обратно пропорциональна дисперсии: . Например:

Скорость передачи байта должна быть такой, чтобы избежать перекрытия импульсов. Таким образом, чем ниже скорость передачи сигналов, тем реже располагаются импульсы в цепочке и тем большая величина дисперсии допустима. Рассмотрим причины возникновения дисперсии:

Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что спектр сигнала имеет конечную величину и разные компоненты. Сигналы движутся в волокне с разной скоростью.

 

 

Спектр источника излучения

Рис 1. Спектральное распределение относительной мощ­нос­ти из­лу­чаемой светодиодом. Рис 2. – Зависимость груп­повой за­дер­жки от длины волны.

Из графиков видно, что спектральные компоненты с дли­­­ной волны , придут на выход линии на Δt нс, позднее, чем спектральные компоненты того же им­пул­ьса с длиной волны λ₂. Разброс задержек про­яв­ля­ет­ся в расширении импульса на выходе. Существует дли­на волны = 1300 нм, на которой дисперсия равна нулю:

1300 нм – длина волны нулевой дисперсии

Коэффициент дисперсии – D(λ):

.

Δ t - приращение запаздывания;

l - длина волокна [км];

Δ λ - ширина спектра [нм].

Хроматическая дисперсия представляет собой сумму материальной и волноводной дис­пер­сии. В однородной среде скорость распространения волны может меняться только из-за зависимости показателя преломления среды n от λ, что приводит к появлению дис­пер­сии.

Волна распространяется в 2-х средах: частично в сердцевине, и частично в оболочке, и  показатель преломления принимает некоторое среднее значение. Этот средний показатель преломления может ме­нять­ся по 2-м причинам: во-первых, из-за того, что показатели преломления серд­це­ви­ны и кварцевой оболочки зависят от длины волны – это приводит к появлению материальной дисперсии. Во-вторых, потому что поле моды распространяется на кварцевую оболочку и соответственно происходит расширение интенсивности (даже если отношение n₁/n₂ – не меняется). Это чисто волноводный эффект, поэтому дисперсию, возникающую из-за нее, называют волноводной.

 

ППП - Профиль Показателя Преломления,

W – диаметр поля моды.

Нарисуем график зависимости хроматической дисперсии от длины волны:

 

Модовая дисперсия

Модовую дисперсию также называют межмодовой дисперсией. Возникает только в многомодовых световодах из-за наличия в них большого числа мод с различным временем распространения. Определим величину модовой дисперсии для ступенчатого и градиентного ОВ.

Для ступенчатого многомодового ОВ:

 

Для градиентного многомодового ОВ:

l_c – длина связи мод – расстояние, на котором наступает установившийся режим l_c =10-15 км (моды, которые уходят за пределы ОВ).

В многомодовом волокне величину дисперсии удобно оценивать эквивалентом дисперсии, который называется коэффициентом широкополосности, имеющим размерность [МГц*км]. Физический смысл этого коэффициента – ширина полосы пропускания (Δ F) многомодовогоОВ длиной 1 км.

 

 

Методы воздействия на величину дисперсии

Так как волноводная дисперсия зависит от профиля показателя преломления, то, варьируя этим параметром, можно на определенной длине волны или в определенной спектральной полосе получить дисперсию равную нулю.

По сравнению со ступенчатым волокном, градиентный световод имеет лучшие час­тот­ные свойства, так как может удерживать моды вблизи центра сердцевины. Количество мод в нем существенно меньше, а ширина полосы пропускания более чем на порядок превышает аналогичный показатель ступенчатого волокна.

Одновременно градиентный световод почти не отличается от ступенчатого по таким эксплуатационным параметрам, как удельные потери, эффективность ввода излучения, сложность сращивания и т.д. Благодаря этим преимуществам градиентные световоды почти вытеснили ступенчатые  световоды из области массового использования.

Существует прямой способ компенсации дисперсии путем врезки в волокно имеющего положительную дисперсию отрезка оптимального волокна с отрицательной дисперсией. Так, чтобы результирующая дисперсия на заданной длине волны или с учетом муль­ти­плек­сирования по длинам волн в определенном диапазоне длин волн была близка к нулю.

 

 

Определение длины регенерационного участка для ВОЛС

Длина, регенерационного участка ВОЛС определяется передаточными параметрами ка­бе­ля: а именно коэффициентом затухания α и дисперсией τ. Затухание приводит к умень­ше­нию передаваемой мощности, что ограничивает длину регенерационного участка l_р.

Дисперсия приводит к увеличению передаваемых импульсов, и чем длиннее линия, тем больше вносимое затухание линии, что в свою очередь накладывает ограничения на про­пус­кную способность кабеля (Δ F).

 Длина регенерационного участка выбирается по на­имень­ше­му значению l_α или l_ΔF, но так, чтобы не превышало мак­си­маль­ного значения допустимого затухания а_доп и про­пус­кной способности Δ F_доп.

а_доп – энергетический потенциал аппаратуры;

ΔF_доп – скорость передачи этой аппаратуры;

l_α=l_ΔF (в нашем случае).

 

 

Классификация оптических кабелей

По назначению делят:

- Линейные;

- Внутриобъектовые.

Линейные по условиям применения делятся на:

       подвесные:

- на опорах ЛЭП;

- на опорах Воздушных Линий Связи и электрифицированных железных дорог.

Подземные кабели варианты применения:

в грунте:

- кабельной канализации;

- туннелях и коллекторах.

       подводные:

- на речных переходах и глубоководных участках водоемов и на береговых участках.

Внутриобъектовые по условиям применения делят:

- распределительные (для прокладки внутри зданий);

- станционные (для монтажа аппаратуры).

 

Основные конструктивные элементы оптического кабеля

Оптическое волокно бывает двух типов: одномодовое и многомодовое.

Оптические модули: трубчатые, профилированные и ленточные. Медные жилы для дистанционного питания. Оптические сердечники:

Оптический модуль трубчатого типа медные жилы при необходимости;

Оптический модуль профилированного типа и медные жилы при необходимости;

Оптический модуль ленточного типа и медные жилы при необходимости.

Водоблокирующие материалы; внутренние оболочки; броня; силовые элементы; наружная оболочка.

Примеры конструкции оптических модулей

 

а, б, и в, – трубчатые, г – профилированный модуль

1- трубка;

2 – воздух или гидрофобный заполнитель;

3 – оптическое волокно в защитном покрытии;

4 – центральный силовой элемент;

5 – лента;

6 – стержень профилированного типа с V – образными пазами;

7 – плотный буферный мост.

Примеры конструкции ленточного оптического модуля

 

1 – оптическое волокно в защитном покрытии;

2 – полимерный материал;

3 – слой, который обеспечивает сцепление поверхностей разнородных материалов

(адгезированный);

4 – синтетическая лента.

 

Конструкция:

а – с полимерным защитным материалом;

б – с дополнительным покрытием из адгезировнного слоя и синтетических лент.

 

Примеры конструкций оптических сердечников

 

1 – центральный силовой элемент;

2 – оптический модуль трубчатого типа;

3 – защитное покрытие (трубка, и сцепляющие полимерные ленты);

4 – полимерная трубка;

5 – оптическое волокно с защитным покрытием;

6 – оптический модуль профилированного типа;

7 – стержень профилированного типа;

8 – единичный блок (матрица из ленточных оптических модулей);

9 – ленточный оптический модуль.

 

Достоинства Волоконно-оптического кабеля

1. Широкая полоса пропускания, обусловлена очень высокой частотой несущей ( Гц);

2. Малое затухание светового сигнала в световолокне;

3. Низкий уровень шумов, что позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи сигналов с высокой избыточностью кода;

4. Высокая помехозащищенность;

5. Малый вес и объем;

6. Высокая защищенность от несанкционированного доступа;

7. Взрыво- и пожаробезопасноть из-за отсутствия искрообразования.

 

Недостатки Волоконно-оптического кабеля

1. Дороговизна монтажа оборудования, самого монтажного оборудования и тес­ти­ро­вания ВОЛС;

2. Требование специальных мер защиты оптического волокна, что приводит к удо­ро­жа­нию кабеля.