Одно- та багатомодові свтловоди

Существует три вида оптических волокон:

1. Многомодовое волокно со ступенчатым индексом (обычно называемое
волокном со ступенчатым индексом).

2. Многомодовое волокно со сглаженным индексом (волокно со сглаженным
индексом).

3. Одномодовое волокно со ступенчатым индексом (одномодовое волокно).

Волокно со ступенчатым индексом

Многомодовое волокно со ступенчатым индексом — наиболее простой тип волокон. Оно имеет ядро диаметром от 100 до 970 микрон и может быть чисто стеклянным, PCS, или пластиковым.

Различные лучи затрачивают меньше или больше времени на прохождение одной и той же длины волокна. Лучи, которые движутся вдоль центральной оси ядра без отражений, достигают противоположного конца волокна первыми. Косые лучи появляются позднее. Свет, попадающий в волокно в одно и то же время, достигает про­тивоположного конца в различные моменты времени. Световой импульс рас­плывается во времени.

Это расплывание называется межмодовой дисперсией. Импульс света, который имел первоначально узкий, строго определенный профиль, в дальнейшем расширяется во времени. Межмодовая дисперсия возникает в результате различных длин тра­екторий, соответствующих различным модам волокна, именно она ограничивает возможную полосу пропускания оптического волокна.

Волокно со сглаженным индексом

Одна из возможностей уменьшения межмодовой дисперсии — использование сглаженного профиля показателя преломления. В этом случае ядро состоит из большого числа концентрических колец. При удалении от центральной оси ядра показатель преломления каждого слоя снижается. Чем дальше расположена траектория светового луча от центра, тем быстрее он движется. Свет постоянно и более плавно испытывает отражение от каждого слоя ядра. При этом его траектория отклоняется к центру и становится похожей на синусоидальную. Лучи, которые проходят более длинные дис­танции, делают это большей частью по участкам с меньшим показателем преломления, двигаясь при этом быстрее. Свет, распространяющийся вдоль центральной оси, проходит наименьшую дистанцию, но с минимальной ско­ростью. В итоге все лучи достигают противоположного конца волокна одно­временно..

Одномодовое волокно

Одномодовое волокно имеет чрезвычайно малый диаметр — от 5 до 10 микрон.

Поскольку данное волокно переносит только одну моду, межмодовая дисперсия в нем отсутствует.

Одномодовое волокно позволяет легко достичь ширины полосы пропус­кания от 50 до 100 ГГц-км. В настоящее время волокна имеют полосы про­пускания в несколько гигагерц и позволяют передавать сигнал на десятки километров.

Характеристики одномодовой системы ограничены возможностями электроники, а не волокна. Еще одно преимущество одномодового волокна заключается в том, что оно может быть проложено один раз, с тем чтобы в дальнейшем возможности передающей линии возрастали по мере развития и замены электронных устройств. Это позволяет экономить средства на прокладке новой более современной передающей линии и добиваться увеличения скорости передачи наиболее экономным способом.

В зависимости от конструкции различные виды волокон имеют специфи­ческие длины волн, называемые пороговыми длинами. Излучение с длиной волны, превосходящей пороговую длину, распространяется в одномодовом режиме. Особенность распространения излучения в одномодовом режиме подчеркивает еще одно отличие одномодового волокна от многомодового. В одномодовом волокне излучение переносится не только внутри ядра, но и в оптической оболочке, в связи с этим возникает дополнительное требование к эффектив­ности переноса энергии в этом слое.

Оптические волокна производятся разными способами, обеспечивают передачу оптиче­ского излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют раз­ные задачи. Все оптические волокна долятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index mu'ti mode fiber).

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step in­dex single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber)

Типы и размеры волокон приведены на рис. 2.1. Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина, по которой происходит рас­пространение светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного материала. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и обо­лочки. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины, У многомодового градиентного волокна и одномодового волокна со смещенной дисперсией показатель преломления сердцевины зависит от радиуса. Такой более сложный профиль делается для улучшения технических характеристик или для дости­жения специальных характеристик волокна.

Если сравнивать многомодовыо волокна между собой (рис. 2.1 а, б), то градиентное во­локно имеет лучшие технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в градиентном многомодовом волокне основной источник дисперсии значительно меньше, чем в ступенчатом многомодовом во­локне, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна.

Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым v., как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако они требует использования более дорогих лазерных пере­датчиков

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты волокон (табл. 2.1):

• многомодовое градиентное волокно 50/125 (рис. 2.1 а);

«многомодоьои градиентное волокно 62,5/125 (рис 2.1 б):

» одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией или стан­дартное волокно) 8-10/125 (рис. 2.1 в);

• одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (рис. 2.1 г);

• одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показа- • теля преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Большинство устройств волоконной оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 800 до 1600 нм в основном в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм, рис. 2.8 [1]. Именно окрестности зтих трех дпин волн образуют локальные минимумы затуха­ния сигнала и обеспечивают большую дальность передачи.

Многомодовые градиентные волокна

В стандартном многомодовом градиентном волокне (50/125 или 62,5/125) диаметр све-тонесущей жилы 50 и 62,5 мкм, что на порядок больше длины волны передачи. Это приводит к распространению множества различных типов световых лучей - мод - во всех трех окнах

прозрачности. Два окна прозрачности 850 и 1310 нм обычно используют для передачи света по многомодовому волокну.

Одномодовые волокна

В ступенчатом одномодовом волокне (SF) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света λ>λcf(λ>λcf- длина волны отсечки) распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспе­чивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрач­ности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестно­сти длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3-0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF) длина волны, на которой ре­зультирующая дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой дисперсии А.0 - смеще­на в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показате­ля преломления волокна, рис. 2.1 г. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму по­терь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм.

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оп­тимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультип­лексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей "полностью оптических сетей" - сетей, на узлах которых не происходит опто-злектронного преобразования при распространении оптического сигнала.

Передача мультиплексного сигнала на большие расстояния требует использования ли­нейных широкополосных оптических усилителей, из которых наибольшее распространение получили так называемые эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волокна (EDFA). Линейные усилители типа EDFA эффективно могут усиливать сигнал в своем рабочем диапазоне от 1530-1560 нм. Длина волны нулевой дисперсии у волокна NZDSF, в отличие от волокна DSF, выведена за пределы этого диапазона, что значительно ослабляет влияние не­линейных эффектов в окрестности точки нулевой дисперсии при распространении нескольких длин волн.

Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых волокон совершенно не означает, что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи: SF - пере­дача сигнала на длине волны 1310 нм, OSF - передача сигнала на длине волны 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигнала в окне 1530-1560 нм. Так, например, мультип­лексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому од-номодовому волокну SF. Однако длина безретрансляционного участка при использовании во­локна SF будет меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей хроматической дисперсии. Максимальное допустимое расстояние определяется технически­ми характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией), так и приемо­передающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным уширением излучения пе­редатчика, чувствительностью приемника