Волоконно-оптичні лінії зв’язку

Волоконно-оптичні лінії зв’язку

1. Типи і характеристики оптичного волокна. Стандартне волокно. Волокно із зміщеною нульовою дисперсією. Волокно із зміщеною ненульовою дисперсією.

 

Основні елементи оптичного волокна

Основні конструктивні елементи оптичного волокна (ОВ) наведені на рисунку 1.1.1

Кожне волокно складається з ядра (серцевини) і оболонки. Це і є хвилевідна система.

Ядро (серцевина) – виготовляється з скла або пластика. Кількість мод, які передаються хвилеводом залежить від діаметру серцевини.

Рис. 1.1.1. Структура оптичного волокна

Захисна оболонка забезпечує міцність волокна, поглинає удари, створює додатковий захист волокна від впливу навколишнього середовища. Такі буферні оболонки звичайно бувають багатошаровими, виготовляються із пластика і мають товщину від 250 до 900 мкм.

Розміри волокна в загальному випадку визначаються зовнішніми діаметрами його ядра, оболонки та захисної оболонки. Зазвичай ці розміри записують через нахилену рисочку. Наприклад, 50/125/250 означає, що діаметри ядра, оболонки і захисної оболонки дорівнюють 50, 125, 250 мкм відповідно. Захисну оболонку завжди видаляють при з’єднані волокон.

 

Типи і характеристики оптичного волокна

Тип волокна ідентифікується за модовим складом коливань, які можуть розповсюджуватися у волокні. Волокна поділяються на два основних типи – багатомодві MMF (multi mode fiber) і одномодові SMF (single mode fiber). Ці волокна різняться діаметром серцевини й оболонки та профілем показника заломлення ядра.

Багатомодові волокна можуть бути ступінчастими або градієнтними.

Одномодові волокна підрозділяються на ступінчасті, або стандартні волокна (SF), волокна з зміщеною дисперсією (DSF) та на волокна з ненульовою зміщеною дисперсією (NZDSF), які відрізняються профілем показника заломлення.

Профілі показника заломлення

Профілі показників заломлення наведені на рисунку 1.2.1

Багатомодове волокно із ступінчастим профілем (рис. 1.2.1а). На даний час в основному випускаються волокна двох типів: 100/140 і 200/240.

Багатомодове волокно з градієнтним профілем (рис. 1.2.1б) більш розповсюджене. На відміну від волокна з ступінчастим профілем ядро волокна із градієнтним профілем складається із чисельних шарів скла, в яких показник заломлення зменшується від центру до країв волокна. За рахунок того, що розподіл показника заломлення має нелінійний профіль, виявляється, що константа розповсюдження для мод із більш високим номером та мод низьких порядків приблизно рівні.

Таким чином, у деякій мірі ліквідується модова дисперсія, яка, як відомо, суттєво обмежує дальність передаючої ділянки та призводить до спотворення і руйнування інформаційного сигналу.

 

а б в г

Рис. 1.2.1. Типи профілів показника заломлення оптичного волокна

(а) ступінчасте одномодове та багатомодове волокно; (б) багатомодове волокно з градієнтним профілем; (в) одномодове волокно з зміщеною дисперсією; (г) одномодове волокно з зміщеною ненульовою дисперсією

 

Волокна з градієнтним показником заломлення представлені на ринку розмірами: 50/125, 62.5/125, 85/125.

Одномодове волокно, представлене на ринку, буває, в основному, трьох типів: одномодове волокно з ступінчастим профілем (рис. 1.2.1а); одномодові волокна з зміщеною дисперсією (рис. 1.2.1в); одномодові волокна із зміщеною ненульовою дисперсією (рис. 1.2.1г).

Одномодові волокна характеризуються розмірами: 8-10/125.

 

1. Властивості оптичних волокон як передаючого середовища. Поглинання в оптичних волокнах

 

Властивості оптичних волокон як передаючого середовища

Одномодове волокно з зміщеною дисперсією DSF

Для того, щоб оптимізувати одномодове волокно по поглинанню завдяки підбору профілю показника заломлення, зміщують точку нульової дисперсії в область довжини хвилі 1.55 мкм. За допомогою таких волокон можуть бути реалізовані ділянки передачі сигналу без ретрансляційних пристроїв довжиною до 100 км.

Дисперсія

Ще раз повернемося до явища дисперсії та підсумуємо відомі факти (див. частину І посібника, п. 2.4). Дисперсія поділяється на міжмодову (модову) та хроматичну. Хроматичну дисперсію у свою чергу можна поділити на матеріальну (звичайну) дисперсію та хвильову, яка має місце градієнтних волокнах. У нашому розгляді випущено ще один тип дисперсії - так звану поляризаційну дисперсію. Такого типу дисперсія може виникати, наприклад, у волокнах, в яких спостерігаються відхилення форми перерізу волокна від кола. Оптична хвиля, як відомо, має векторний характер, тобто процес розповсюдження хвилі у волокні можна представити як розповсюдження ТЕ- і ТМ-коливання. Якщо структура волокна однорідна, переріз правильної форми, то ТЕ- і ТМ-хвилі мають однакові константи розповсюдження. Проте в процесі виготовлення або прокладки волокна коло може перетворитися на еліпс. Окрім цього, за рахунок вигинів, інших механічних збурень може виникати локальна анізотропія. У такому випадку ТЕ- і ТМ-моди мають різні константи розповсюдження. Отже, процес розповсюдження інформаційного сигналу супроводжується руйнуванням сигналу внаслідок різної швидкості, яка притаманна ортогонально-поляризованим модам. Зауважимо що, поляризаційна дисперсія за порядком набагато менше ніж міжмодова та хроматична. Отже, такою дисперсією можна нехтувати (особливо для багатомодових волокон). Проте у випадку, коли модова та хроматична дисперсії практично скомпенсовані та на граничних за довжиною ділянках ліній (особливо для одномодових волокон) вплив поляризаційної дисперсії стає досить помітним.

Рис. 1.3.3. Поведінка коефіцієнту дисперсії для різних типів волокон: 1 – волокно з ступінчастим профілем; 2 –волокно з зміщеною дисперсією; 3 – волокно з складним профілем показника заломлення

Модова* дисперсія здебільшого вимірюється в пс/км (час затримки на одиницю довжини). Хроматична дисперсія характеризується коефіцієнтом дисперсії що вимірюється в пс/(нм км). Поведінка коефіцієнту хроматичної дисперсії подана на рисунку 1.3.3.

Повна дисперсія у волокні визначається за виразом:

, (1.3.2)

де – коефіцієнт міжмодової дисперсії, – коефіцієнт хроматичної дисперсії, – ширина спектральної лінії, – довжина волокна, – коефіцієнт зв’язку мод, який являє собою емпіричну величину зі значенням 0.6-0.7. Вираз (1.3.2) справедливий, якщо нехтувати поляризаційною дисперсією. Коефіцієнт виникає внаслідок того, що не завжди процес розповсюдження мод незалежний. За відповідних умов енергія одного коливання може перекачуватися в іншу моду і т. ін.

Як бачимо з рисунка для волокон з складним профілем показника заломлення може спостерігатися декілька точок нульової дисперсії

 

 

1. Геометричні параметри волокна

 

Числова апертура волокна

Мінімальний кут (див. рис. 1.4.1), під яким ще може розповсюджуватися хвиля у волокні, як відомо, визначається умовою повного внутрішнього відбивання:

. (1.4.3)

Максимальний кут , під яким опромінюється торець світловода і ще можливе виникнення хвилевідного процесу, має назву апертурного. Цей кут зв’язаний з числовою апертурою волокна:

Рис. 1.4.1

(1.4.4)

З рисунка 1.4.1 випливає що,

. (1.4.5)

Тоді згідно інваріанту Снеліусса можна записати

. (1.4.6)

Для градієнтного волокна з параболічним профілем показника заломлення:

. (1.4.7)

Числова апертура вказується в паспорті волокон, які виготовляються промисловістю.

Нормована частота

Нормована частота – це величина, яка визначається виразом:

. (1.4.8)

Ця величина пов’язана з кількістю мод , які можуть розповсюджуватися у волокні. Для ступінчастого волокна:

. (1.4.9)

Для градієнтного волокна:

, (1.4.10)

тобто в градієнтному волокні кількість розповсюджуваних мод , у два рази менша ніж у ступінчастому.

Хвиля відсічки

Хвиля відсічки – це мінімальна довжина хвилі, при якій волокно підтримує лише одну просторову моду. Фактично саме цей параметр визначає характер роботи волокна – одно- або багатомодовий режим реалізується.

Оптичні кабелі

Порівняно з металевими коаксіальними та симетричними кабелями, які складаються з мідних провідників, оптичні кабулі (ОК) мають низку особливостей. Оптичні волокна (ОВ) виготовляються з надчистого кварцу з необхідними добавками або – рідше – з полімерів. Ці матеріали – добрі діелектрики. Отже, оптичні волокна, а як наслідок оптичні кабелі, не чутливі до електромагнітних завад. Окрім цього, вони значно стійкіше до впливу різного роду агресивних хімічних середовищ. Малий діаметр ОВ (разом із захисною оболонкою не більше ніж 250 мкм) та мала маса дозволяють виготовляти ОК значно меншого діаметру та погонної маси, ніж відповідні за характеристиками металеві кабелі. Більш того, для деяких систем передачі інформації оптичним кабелям взагалі не існує альтернативи. Конструктивно при рівних з металевими кабелями діаметрами ОК мають більшу кількість інформаційно-провідних жил. Завдяки малому затуханню та незначним спотворенням форми та тривалості оптичного імпульсу, оптичні кабелі мають значно більшу “будівельну” довжину – до 6 км (для підводних систем до 50 км).

Разом з тим, оскільки основа ОК – кварцовий (рідше полімерний) світловод, виникають певні труднощі при їх зрощуванні.

Не зважаючи на ці особливості, оптичні кабелі повинні задовольняти ряд вимог, що висуваються до характеристик металевих кабелів зв’язку.

Вони повинні забезпечувати:

· можливість прокладки в тих самих умовах, в яких прокладаються металеві кабелі;

· максимальне використання методик та обладнання традиційної кабелепрокладальної технології;

· можливість зрощування і монтажу в польових умовах з достатньою легкістю та на протязі короткого часу;

· стійкість до зовнішніх впливів у відповідності до умов експлуатації мережі зв’язку;

· надійність в експлуатації у відповідності із заданими показниками безвідмовності, довговічності та придатності до ремонту.

 

Монтаж оптичних кабелів

Зварні з’єднання

Зварювання ОВ – найбільш розповсюджений метод з’єднання волокон. Перевагою такого методу з’єднання є отримання в результаті зварення суцільної ділянки волокна. При правильно виконаній операції втрати потужності не перевищують 0.1 дБ.

Високу температуру в місці контакту торців отримують за допомогою:

· електричного розряду;

· полум’я газового пальника;

· потужного лазерного випромінювання.

Кожний з цих методів має свої переваги і недоліки. Перевагою зварювання за допомогою лазера слід вважати можливість отримання “чистих” з’єднань, внаслідок відсутності в них сторонніх матеріалів і відповідно досить малі втрати потужності <0.1 дБ при проходженні випромінювання через таке з’єднання. В якості джерела високої потужності (до 5 Вт) використовують лазери на . Устаткування для такого зварювання виготовляється фірмами Cabloptic (Швейцарія), Hewlett-Packard (США).

Зварювання в полум’ї газового пальника використовують здебільшого при з’єднанні багатомодових волокон. До переваг цього методу слід віднести можливість отримання з’єднань підвищеної міцності. Як активний реагент у такому пристрої використовують суміш: пропану і кисню або кисню, хлору та водню. Втрати в з’єднаннях теж невеликі – до 0.1 дБ. Устаткування для такого зварювання виготовляється фірмами Cabloptic (Швейцарія), AT&T (США). Проте найбільше застосування отримав метод зварювання ОВ у полі електричного розряду.

Зварювання в полі електричного розряду виконується в такій послідовності:

1. Підготовка торцевих поверхонь ОВ.

2. Юстування ОВ. Здійснюється за допомогою спеціальних напрямних пристроїв і складається з таких операцій:

- первинне юстування – кінці волокон встановлюються і виставляються у відповідності до спеціальних маркерів;

- знаходять світло, яке розповсюджується через серцевину, або знаходять серцевини волокон, що з’єднуються;

-

Рис. 2.2.6. Комплект SMOUV 1 – гільза; 2 – металевий стрижень, термоусадна трубка

юстують кінцівки волокон за геометричними ознаками або за мінімом втрат;

- встановлюють регламентований зазор між торцями.

3. Попереднє оплавлення торців волокон. Ця операція виконується для часткової ліквідації мікронерівностей.

4. Безпосереднє зварювання волокон.

Рис. 2.2.7. Типи клейових з’єднань 1 – ОВ; 2 – скляний капіляр; 3 – клей; 4 – прямокутна трубка; 5 – корпус з V-образною канавкою; 6 – кришка; 7 – напрямні стрижені; 8 – муфта

Сучасні зварювальні апарати для зварювання ОВ автоматично здійснюють оптимальне юстування волокон, вибирають оптимальний режим зварювання та здійснюють контроль втрат у місці з’єднання. Процес зварювання можна контролювати візуально у двох координатах (наприклад на рідкокристалічному дисплеї). Прикладом такого апарата може бути апарат фірми FUJIKURA.

Місця з’єднань захищаються за допомогою спеціальних пристроїв оптичних муфт. Наприклад, місце з’єднання захищається шляхом термічного осаджування комплекту деталей для захисту місця зварювання. Такі комплекти випускаються як за кордоном (Фірма Raychem комплект SMOUV – Fiber optic splice protection and support sleeve (рис. 2.2.6)), так і в Україні (комплект КДЗЗ).

 

Клейові з’єднання

Іншим способом отримання з’єднань ОВ є їх склеювання. До переваг цього методу треба віднести оперативність, відсутність деформації серцевин волокон. Це сприяє зменшенню втрат, відсутності напруги в області стику, забезпеченню непоганої міцності та ін. Проте такі з’єднання мають обмежений термін служби та часову нестабільність втрат.

Для отримання клейового з’єднання використовують (див. рис.2.2.7): суміщення та фіксацію ОВ у капілярі, в прямокутній трубці, за допомогою V-подібні канавки, за допомогою стрижнів.

Механічні з’єднувачі

Останнім часом широкого застосування набули з’єднання ОВ за допомогою механічних з’єднувачів. Переваги таких з’єднувачів:

- порівняно мала вартість;

- оперативність (час отримання з’єднання не більше 3-х хвилин);

- висока ремонтна здатність;

-

Рис. 2.2.8. Механічний з’єднувач типу Fiberlock: 1 – пластмасо-алюмінієва основа; 2 – металевий елемент з м’якого алюмінієвого сплаву; 3 – ОВ; 4 – пластмасова кришка

для отримання з’єднання не потрібно робітників високої кваліфікації.

Область застосування – лінії передачі з відносно невисокими вимогами до величини втрат (короткі лінії міжстанційного зв’язку, локальні мережі і т. ін.)

Для узгодження стику волокон у механічних з’єднівачах можуть використовуватися різні рідини, гелі, мастила та адгезиви, причому гелі найчастіше, а рідини лише зрідка.

Рис. 2.2.9. з’єднувач CLS Light Splice компанії Lucent Technologies: 1 – прозорий пластиковий корпус; 2 – скляна капілярна трубка; 3 - металева пружина; 4 – тонкий шар еластичного матеріалу; 5 – оптичне волокно

На рисунку 2.2.8 наведена конструкція одного з найбільш вдалих механічних з’єднувачів типу Fiberlock (виробник компанія 3М).

Конструкція іншого досить вдалого механічного з’єднувача – з’єднувач CLS Light Splice компанії Lucent Technologies – зображена на рисунку 2.2.9. Він призначений для з’єднання волокон діаметром від 250 до 900 мкм. Втрати на з’єднання не більше 0.2 дБ. Працює в широкому діапазоні температур.

Рознімні з’єднання

Потреба в рознімних з’єднаннях виникає при багаторазовому підключенні ОВ до джерел (приймачів) та стикуванні волокон між собою.

Найбільшого застосування отримали розніми штекерного типу. Основними їх елементами є два штекери-кінцевики, в яких закріплюються ОВ та муфта, що служить для з’єднання штекерів. Джерела втрат у такому з’єднанні – поперечні та кутові зсуви оптичних волокон. Для зменшення френелевих втрат використовують фізичний контакт та кутовий фізичний контакт торців.

Використовують також розніми з можливістю юстування (корекції положення) торців волокон. Волокна в обох кінцях розніму вмонтовані у втулки, які можуть обертатися навколо осі розніму. При цьому торці волокон зміщені відносно осі розніму на незначну величину близько 1 мкм. Обертаючи втулки в обох кінцях розніму та слідкуючи за рівнем сигналу, можна добитися практично повного збігання осей волокон. Втрати в таких рознімах можуть бути мінімізовані до величин <1 дБ.

 

1. Волоконно-оптичні відгалужувачі і розгалужувачі. Волоконно-оптичні перемикачі. Оптичні ізолятори і циркуля тори

 

Зварні відгалужувачі

Для здійснення контролю параметрів ВОЛЗ, організації двохстороннього зв’язку по одному волокну використовують напрямлені X-відгалужувачі. На рисунку 3.1.1 наведена схема такого відгалужувача.

Відгалужувач виготовляється з двох відрізків оптичних волокон. На деякій довжині у кожного з волокон зішліфовується (або видаляється травленням) частина робочої оболонки. Після цього обидва волокна зварюються за допомогою зварювального апарата. У результаті такої операції серцевини волокон розташовуються паралельно на довжині . Отже, після такої операції маємо волоконний аналог двох зв’язаних хвилеводів. Як відомо, така система характеризується коефіцієнтом зв’язку, який залежить від величини , та довжиною зв’язку , на якій відбувається повне перекачування енергії з одного волокна в інше. Природно, що, вибираючи довжину , можна регулювати частину енергії, що перекачується в другий хвилевід. Так, наприклад, якщо , то такий відгалужувач поділить енергію, яка вводилася в один із каналів, порівну.

Рис. 3.1.2

Не менш широке розповсюдження знайшов інший тип відгалужувачив - -відгалужувач (рис. 3.1.2). Кількість каналів на виході такого відгалужувача може сягати 32. Така кількість досягається послідовним розділенням кожного вихідного каналу двохканального відголужувача за допомогою наступного відголужувача.

Цей відгалжувач у більшості випадків використовується як поділювач потужності на дві частини, тому частіше він називається розгалужувачем. Цей тип розгалужувача є базовим для виготовлення різного роду багатоканальних матричних розгалужувачів та (як і в планарному варіанті) різного роду інтерферометрів.

Обидва типи відгалужувачів характеризуються такими параметрами:

коефіцієнтом передачі

, або дБ; ;.

, або дБ; (3.1.1)

та коефіцієнтом розв’язки (ізоляції), або перехідним затуханням .

Цей параметр визначає ту частину енергії, яка проникає, наприклад, у плече 3, коли випромінювання вводиться в плече 2.

Третій параметр – коефіцієнт втрат, що вносяться :

, або . (3.1.2)

Окрім зварних розгалужувачів, застосовують також інші конструкції.

Електромеханічні перемикачі

Принцип дії електромеханічних перемикачів аналогічний дії звичайного реле. Кінцівки ОВ у різний спосіб розташовані напроти один другого. При спрацюванні реле торці ОВ входять у безпосередній контакт.

Втрати в таких перемикачах невеликі. Коефіцієнт передачі ~0.3-1.5 дБ. Потужність, що споживається теж невелика ~ 2-20 мВт.

Недоліки: низька швидкодія, чутливість до зовнішніх впливів (особливо вібрацій), відносно великі розміри та неможливість їх застосування в інтегрально-оптичних схемах.

Термооптичні перемикачі

На рисунку 3.2.1 наведена одна з конструкцій такого типу перемикачів. Світловод 1 є загальним вхідним каналом. Торець ОВ 1 оброблений під певним кутом до осі розповсюдження світла. ОВ 2 розташоване співосно до волокна 1. Кут “зрізу” торця такий, що випромінювання, заломлене на ньому, розповсюджується далі під кутом до вісі оптичних волокон 1 та 2. При цьому напрямок розповсюдження променя збігається з віссю волокна 3.

Рис. 3.2.1

Отже, хвиля, яка ввійшла у світловод 1 проходить у волокно 3. Втрати потужності – це лише втрати на френелеве відбивання. Проміжок між світловодами 1 та 3 заповнений рідиною 4. Рівень рідини такий, що вона не доходить до серцевин волокон 1 та 2. Решта простору 5 між світловодами заповнено повітрям під тиском 1.1-1.2 атм. Знизу під волокнами розташований нагрівач 6. При його нагріванні рівень рідини збільшується і вона покриває серцевини волокон 1 та 2. Показник заломлення рідини близький до показника заломлення серцевин ОВ 1. Отже, при нагріванні рідини утворюється оптично однорідна система і хвиля розповюджується вздовж початкового напрямку у волокно 2. Після зниження температури стиснуте повітря витискає рідину із зазору між торцями ОВ 1 та 2 і хвилі знову розповсюджуються в напрямку волокна 3.

Характеристики перемикача: енергія теплових імпульсів, яка необхідна для нагріву рідини ~ 10 мкДж; час нагріву не більше 100 нс.

Інший тип перемикача наведений на рисунку 3.2.2. Світловод із показником заломлення серцевини зроблений під конус та за допомогою клею жорстко зв’язаний зі світловодами та . При цьому в нормальних умовах (температура близько 20^о) дійсні співвідношення:

(3.2.1)

Рис. 3.2.2

і на границі світловодів 3-2 виконуються умови повного внутрішнього відбивання. Водночас границя між світловодами 3-1 внаслідок однаковості показників заломлення в оптичному сенсі відсутня. Відповідно хвиля зі світловоду 3 поступає у світловід 1. При нагріванні ситуація з показниками заломлення змінюється. Внаслідок нелінійної залежності величин показників заломлення співвідношення набуває вигляду:

. (3.2.2)

Отже, стає прозорою границя між світловодами 3-2, а повне внутрішнє відбивання відбувається на границі 3-1. Так світло зі світловоду 3 поступає в світловод 2.

Японською фірмою NEL випускається серійний термічний комутатор на 8х8 напрямків із такими технічними характеристиками:

робочий діапазон довжин хвиль – 1.53-1.57 мкм;

втрати, що вносяться (для 8 напрямків), – <8 дБ;

швидкодія – <3 мс;

напруга живлення – 5 В;

розміри – 145х100х20 мм.

Електрооптичні перемикачі

Електрооптичні перемикачі - це перемикачі, які разом з акустооптичними перемикачами знайшли найширше розповсюдження в сучасних системах ВОЛЗ, локальних мережах і т.ін.

Як матеріали для отримання електрооптичного ефекту використовують вже відомі нам матеріали ніобату літію, танталу та ін., які, як відомо, під дією електричного поля виявляють анізотропічні властивості. Схема електрооптичного комутатора наведена на рисунку 3.2.3

Рис. 3.2.3

Світловоди (а) і (б) на ділянці з електродами виконані з електрооптичного матеріалу. Принципи роботи такого модулятора не відрізняються від принципів подібного модулятора в інтегрально-оптичному виконанні. Більше того, інтегрально-оптичний варіант такого перемикача може бути легко суміщений з ВОЛС. Це є перевагою подібного типу модуляторів (акустооптичних також) перед термічними та електромеханічними.

Електрооптичні перемикачі мають непогану швидкодією – близько одиниць наносекунд. Напруга живлення таких модуляторів невелика і це також можна віднести до переваг електрооптичних перемикачів.

Додамо, що для ВОЛС можуть бути реалізовані всі типи електрооптичних модуляторів (в тому числі й інтерференційні), побудова яких можлива в ІО-варіанті.

Оптичні ізолятори

У високошвидкісних ВОЛЗ для захисту лазерних діодів від паразитних відбивань застосовують оптичні ізолятори. Оптичні ізолятори забезпечують пропускання випромінювання в одному напрямку практично без втрат, а в іншому (зворотному) напрямку інтенсивність випромінювання, яка пройшла через ізолятор, майже нульова.

Рис. 3.2.4

Рисунок 3.2.4 пояснює роботу однієї з можливих конструкцій такого пристрою. Випромінювання лазерного діода проходить через поляризатор 1. Після поляризатора лінійно-поляризована хвиля поступає на вхід комірки Фарадея. По проходженні комірки азимут поляризації повертається на 45^о. Через вихідний поляризатор випромінювання поступає на вхід пристрою введення. Відбиті паразитні пучки, які розповсюджуються у зворотному напрямку мають поляризацію, близьку до лінійної з тим самим азимутом. Після поляризатора 3 відбитий пучок стає лінійно-поляризованим з азимутом, який співпадає з початковим азимутом. Дія комірки Фарадея така, що результат дії не залежить від напрямку розповсюдження світла. Отже, після комірки азимут поляризації повертається ще на 45^о. Таким чином, в порівнянні з початковою орієнтацією вектора поля кінцева відрізняється на 90^о. При такій взаємній орієнтації осі поляризатора та хвилевого вектора за поляризатором 1 інтенсивність світла, сформована відбитими паразитними пучками, практично дорівнює нулю.

Рис. 3.2.5

В лініях зв’язку, побудованих на основі одномодових волокон, в яких стан поляризації передаваного сигналу практично не змінюється може бути застосованій інший тип оптичних ізоляторів. Конструкція такого ізолятора наведена на рисунку 3.2.5.

Випромінювання лазера проходить через поляризатор 1 та чвертьхвильову пластинку 2. Ось пластинки утворює кут 45^о з віссю поляризатора. В такому випадку лінійно-поляризоване випромінювання перетворюється на циркулярно-поляризоване. Якщо світловід не змінює поляризації, то всі відбиті на трасі світові потоки залишаться циркулярно-поляризованими. Проте, напрямок обертання вектора поля зімнеться на пролежаний. Наприклад, на виході системи сигнал був право-пляризований. Тоді відбиті сигналі (випромінювання, яке повертається в бік джерела) ліво-поляризовані.

При проходженні через пластинку в зворотному напрямку таке випромінювання знову перетвориться на лінійно-поляризоване, але воно буде ортогональним до початкового. Як наслідок, після поляризатора 1 інтенсивність випромінювання, яке повернулося з оптичної траси практично рівна нулю.

 

1. Оптичні підсилювачі. Типи та характеристики. Волоконно-оптичні підсилювачі

 

Оптичні підсилювачі

Оптичний підсилювач (ОП) на відміну від повторювача не здійснює оптоелектронного перетворювання, а зразу ж виконує підсилення оптичного сигналу (рис. 6.1.2).

Рис. 6.1.2

Зауважимо, що ОП підсилює як сам сигнал так і шуми. Окрім цього, ОП вносить у сигнал додатково свої власні шуми. Порівняльні характеристики повторювачів та підсилювачів наведені в таблиці 10.

ТТаблиця 10

Характеристика	Повторювач	Оптичний підсилювач
Конструкція	Складна	Проста
Вартість	Низька	Висока, але змінюється в бік зменшення
Надійність	Висока	Дуже висока
Регенерація сигналу	Допускається	Виключається
Прив’язка до швидкості передачі сигналу	Необхідна	Не вимагається
Можливість одночасної передачі декількох сигналів	Виключається	Допускається
Робоча довжина хвилі	0.85, 1.31, 1.55 мкм	Область 1.53-1.56 мкм
Відношення сигнал-шум	Високе	Низьке
Область застосування	Локальні мережі, регіональні мережі, міжрегіональні мережі	Регіональні мережі, міжрегіональні мережі

Підсилювачі Фабрі-Перо

Підсилювачі споряджені плоским резонатором із дзеркальними напівпрозорими стінками. Вони забезпечують високий коефіцієнт підсилення (до 25 дБ) в дуже вузькому (1.5 ГГц), але можуть перестроюватися в дуже широкому спектральному діапазоні (800 ГГц). Окрім цього, такі підсилювачі нечутливі до поляризації оптичного сигналу і характеризуються сильним подавленням бокових складових (ослаблення на величину ~20 дБ за межами інтервалу 5 ГГц за рахунок оптичних властивостей інтерферометра-резонатора).

Оптичні підсилювачі, подібно до лазерів, використовують принцип індукованого випромінювання. Існують п’ять типів оптичних підсилювачів, перелік яких наведено в таблиці 11.

Таблиця 11

№ з/п	Тип підсилювача	Область застосування
	Підсилювачі з порожниною Фабрі-Перо	Підсилення одного каналу (однієї довжини хвилі)
	Підсилювачі на волокні, які використовують бріллюенівське розсіювання	Підсилення одного каналу
	Підсилювачі на волокні, які використовують раманівське розсіювання	Підсилення декількох каналів одночасно
	Напівпровідникові лазерні підсилювачі	Підсилення великій кількості каналів у широкій області довжин хвиль одночасно
	Підсилювачі на домішковому волокні	Підсилення великій кількості каналів у широкій області довжин хвиль одночасно

 

Внаслідок своїх характеристик підсилювачі Фабрі-Перо ідеально підходять для роботи як демультиплексори, оскільки вони можуть бути перестроєні для підсилення лише однієї певної довжини хвилі (одного каналу) із вхідного багатоканального WDM.

Апаратура СЦІ (SDH)

При розробці апаратури СЦІ була передбачена обов’язкова сумісність те тільки швидкостей, але також і стиків (інтерфейсів), що є відсутнім в апаратурі ПЦІ. У зв’язку з цим розробники апаратури СЦІ керуються відповідними рекомендаціями ITU-T, зокрема для SDH такими рекомендаціями є G.957 і G.691, які регламентують оптичні і електричні інтерфейси систем SDH всіх рівнів. Зокрема, до стандартних інтерфейсів, які визначаються рекомендаціями G.957, відносять такі параметри: довжину хвилі оптичного випромінювання, діапазон довжин хвиль, ширину спектральної лінії випромінювання, рівень оптичної потужності на передавання, коефіцієнт затухання, рівень чутливості приймального пристрою при заданому коефіцієнті помилки для даної швидкості передавання. Вибір значень цих параметрів визначається швидкістю передавання інформації і довжиною лінії. Апаратура SDH призначена для роботи з одномодовими волокнами. Параметри волокна теж регламентовані (Рекомендації: G.652, G.653, G.655).

У випадках, коли відстань між пунктами, які необхідно поєднати за допомогою ВОЛЗ з апаратурою SDH, перевищує довжину, що відповідає енергетичному потенціалу системи (тобто необхідний підсилювач на трасі) або на обох кінцях використовують оптичний підсилювач потужності на передавання та передпідсилювач на прийомі, керуються Рекомендаціями G.691. Крім цього, для всіх рівнів апаратури SDH стандартизовані оптичні розніми (оптичні з’єднувачі) типу FC або PC, оптичні внутристоєчні з’єднувальні шнури (patchcord), тип і габарити плат, комірок, габарити блоків і стоєк, споживана електрична потужність, напруга живлення тощо.

Структурно апаратура SDH складається з таких блоків:

- обладнання зовнішнього доступу (EAE – external access equipment);

- синхронний лінійний регенератор SLR;

- синхронні розгалужувачі – мультиплексори SLR 4D/1, SLR16D/1, які можуть бути позначені також ADM (ADD/DROP MULTIPLEXSOR).

Системи SDH будь-якого виробника будуються за узагальненою схемою, наведеною на рисунку 4.2.1.

 

Рис. 4.2.1. Узагальнена структурна схема системи SDH:

М – мультиплексор, ОП – оптичний підсилювач, ЗІ – з’єднувальний інтерфейс, ППП – порт первинних потоків, ЦБС – центральний блок синхронізації, БКЗ – блок керування та зв’язку, СЗ – службовий зв’язок, КПД – канал передавання даних, БОП – блок обробки показників, БЗШ – блок з’єднувальних шин

 

Крім вищезгаданих вузлів і блоків, до складу апаратури SDH входять:

- система контролю та керування;

- блоки аварійної та передаварійної сигналізації;

- блоки живлення та захисту від перевантажень і зовнішніх впливів, у тому числі електромагнітних полів.

 

Таблиця 6

Швидкість передавання, Мбіт/с	155.52	Мультиплексом ТМ1/1
Код, що використовується (G.957)	S-1.1	L-1.1	1-1.2/L-1.3
Робочий діапазон довжин хвиль	1270-1360	1285-1330	1530- 1560
Передаючий блок, точка S
Тип джерела випромінювання	MLM	MLM	SLM
Спектральні характеристики: Максимальна ширина смуги випромінювання, нм Максимум на рівні –20 дБ, нм Відношення подавлення бокових мод відносно центральної частоти, дБ	-   -	-   -	-
Середня вихідна потужність, що вводиться у волокно: Максимум, дБм Мінімум (з урахуванням 2 дБ старіння), дБм Максимальний коефіцієнт затухання, дБ	-8 -15   8.2	+2 -5	+2 -5
Приймальний блок в точці R
Мінімальна чутливість (з урахуванням 2 дБ старіння і 10^-10