Типи і характеристики оптичного волокна

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.

№2. 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.

Відносна різниця показників заломлення ядра та оболонки

Одним із найважливіших параметрів, що характеризує волокно зокрема ступінчасте, є відносна різниця показників заломлення ядра та оболонки :

. (1.4.1)

Для градієнтних волокон замість береться деякій ефективний показник заломлення . Наприклад, для градієнтного волокна з параболічним профілем показника заломлення:

, (1.4.2)

де – максимальний показник заломлення на осі 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:

(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.

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;

- 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.

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

 

 

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;

- 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.

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.

№7. Волоконно-оптичні відгалужувачі і розгалужувачі

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.

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.

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)

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

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.

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.

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.

№9. Аналіз смуги пропускання ВОЛЗ

Продуктивність ВОЛЗ насамперед залежить від смуги пропускання та затухання лінії.

Локальні мережі зазвичай вимагають смуги від 20 до 600 МГц/км, тому на таких частотах можливо застосування багатомодових волокон. Системи передавання сигналів на великі відстані вимагають смугу волокна близько 100000 МГц/км, яку можуть забезпечити лише одномодові волокна.

Зменшення величини оптичного сигналу в робочій смузі частот на 3 дБ означає втрату половини початкової потужності.

Перетворення в системі зв’язку “електричної” смуги в оптичну або здійснення такого перетворення між будь-якими її компонентами, такими як волокно, приймач або передавач визначається формулою:

. (3.1.1)

Досить часто фірма, що випускає приймачі або передавачі, наводить у паспорті на ці пристрої значення часу наростання робочого імпульсу. Електрична смуга (МГц) для такого компонента ВОЛЗ зіставляється з часом (нс) наростання імпульсу від 0.1 до 0.9 від його пікового значення як

. (3.1.2)

Кінцева ширина електричної смуги системи визначається на основі ширин електричних смуг індивідуальних компонентів за формулою:

, (3.1.3)

де – електричні смуги приймача, кабелю та передавача відповідно.

Для цифрових систем зв’язку розміри смуги пропускання будуть залежати від швидкості передавання даних (біт/с) і формату кодування у відповідності до формули:

, (3.1.4)

де =1.4 для формату без повернення до нуля (NRZ) і =1.0 для формату із поверненням до нуля (RZ).

Ширина смуги системи обмежена смугою частот компонента із самою вузькою смугою частот у лінії. Наприклад, при використанні волокна із достатньо широкою смугою пропускання робочу смугу частот системи може обмежувати термінальне обладнання. Тому при виборі термінального обладнання особливу увагу треба приділяти вибору приймача – його треба вибирати із смугою рівною або такою, що перевищує ширину систему. Передатчик і волокно повинні мати смугу в 1.5-2 рази ширшу, ніж ширина смуги приймача.

Системи зв’язку зазвичай більш економічні при високих швидкостях передавання даних. Тому запас по ширині смуги дає можливість поліпшити пропускну здатність системи. При послідовному з’єднанні кабелів із сумарною довжиною, яка перевищує 1 км, необхідно точно оцінювати оптичну смугу (МГц/км) оптичних волокон, так як приблизне співвідношення між повною шириною смуги кабелю і шириною смуги відрізка волокна довжиною 1 км таке:

, (3.1.5)

де – довжина кабелю в кілометрах, =1.0 для відрізків довжиною 1 км й менше, =0.75 для відрізків довжиною більше 1 км.

Модове ущільнення

У деяких системах передавання, що базуються на використанні багатомодового оптичного волокна, знаходить застосування модове ущільнення (MDM – Mode Division Multiplexing). Суть цього методу ущільнення полягає в наступному. З геометричної оптики відомо, що кут, під яким промінь входить в плоскопаралельну пластинку виходить з неї під тим самим кутом (рисунок 5.3.1).

Волокно можна уявити собі як деяку плоскопаралельну пластину, тобто під яким кутом від нормалі до торця падає на вході лінії пучок, під таким самим кутом до нормалі він вийде з іншого її боку. Отже, використовуючи кутові селектори на вході і на виході багатомодового волокна, можна здійснити передаванну незалежних інформаційних потоків по каналах, роль яких відіграють моди волокна. Модове ущільнення може бути використане лише за умови незалежного розповсюдження мод, відсутності їх перемішування та взаємоперетворень. Такі умови складаються при відсутності локальних неоднорідностей у волокні та при відсутності значних його вигинів. Подібні вимоги можуть бути витримані, наприклад, у системах автоматики, де сигнали передаються на невеликі відстані (близько одиниць – десятків метрів).

Ущільнення за поляризацією

Ущільнення потоків інформації за допомогою оптичних несучих, які мають лінійну поляризацію, називають ущільненням за поляризацією (PDM – Polarization Division Multiplexing). При цьому площина поляризації кожної несучої розташована під своїм кутом. Мультиплексування здійснюється за допомогою спеціальних оптичних призм, наприклад призм Рошона. На відміну від попереднього методу мультиплексування як середовище, за допомогою якого передається сигнал, може бути використане одномодове волокно. Проте, метод PDM може успішно застосовуватися лише у випадку, коли в середовищі відсутні локальні неоднорідності, вигини, які викликають локальну поляризаційну анізотропію. Отже, вказані причини, які впливають на замультиплексований сигнал, істотно обмежують такий метод ущільнення сигналу.

 

№12. Оптичне часове ущільнення (OTDM)

Поява і розвиток нових типів послуг зв’язку вимагає передавання все більших масивів інформації в масштабі реального часу. В цьому випадку недостатньо вимагати лише збільшення пропускної здатності системи передавання. Актуальним є не тільки об’єм інформації, що може передати система, але й час, за який ця передавання відбувається. Отже, передавання інформації в реальному часі про процеси, що протікають із високими швидкостями, вимагає наявності ліній і систем передавання, в яких ця операція відбувається теж із високою швидкістю. Наприклад, якщо треба передати в цифровому вигляді телефонне повідомлення, достатньо швидкості 64 кбіт/с. Проте якщо потрібно передати зображення телевізійного каналу підвищеної чіткості, необхідна швидкість 994.3 Мбіт/с (з ущільненням 135 Мбіт/с).

Таким чином, потреба створення систем із часовим ущільненням залишається актуальною. Відомо, що нещодавні успіхи в області створення електронних елементів дозволили створити систему з електронним часовим ущільненням (ETDM) зі швидкістю передавання близько 40 Гбіт/с. Саме тому була поставлена задача розробки системи оптичного часового ущільнення (OTDM – Optical Time Division Multiplexing). На рисунку 5.6.1 наведена схема для реалізації такого типу ущільнення.

Лазер із синхронізацією мод 1 синхронізується від еталонного таймера мультиплексованих електронних систем SDH – STM-N. Потік оптичних імпульсів з тривалістю і періодом слідування через оптичний підсилювач 2 подається на оптичний розгалужувач 3, що просторово розділяє світловий потік на вісім рівних частин, кожна з яких поступає на оптичні модулятори 4 – 8. З виходу кожного модулятора випромінювання проходить через відповідні відрізки оптичних волокон, які відіграють роль оптичних ліній затримки. При цьому затримки на виході каналу з 1-м модулятором (позиція 4) практично дорівнюють нулю. Після виходу 2-го модулятора (позиція 5) оптичні імпульси затримуються на 1/8Т, і т.д., а після модулятора 8 затримки складають величину 7/8Т. Потім сигнали з усіх виходів поступають на вхід суматора 9 (такий самий, як розгалужувач 3, але включений у зворотному напрямку). З виходу розгалужувача об’єднаний груповий потік після підсилення в підсилювачі 10 подається в лінію передавання. Для компенсації втрат (якщо це необхідно) в лінію може бути включений додатковий оптичний підсилювач 11. З виходу лінії оптичний сигнал, підсилений підсилювачем 12, подається на оптичний часовий демультиплексор 13, який синхронізується за допомогою пристрою 14. Отже, в описаній системі методом оптичного часового ущільнення (OTDM) передається вісім цифрових потоків по 10 Гбіт/с. Система призначена для передавання в діапазоні хвиль 1530 – 1560 нм. У системі використані повністю оптичні елементи: лазер, оптичні розгалужувачі, модулятори, що виконані на кристалах , оптичні підсилювачі і оптичні лінії затримки. Це повністю вкладається в перспективну концепцію створення повністю оптичних мереж і систем передавання.

5.5. Багатохвильове ущільнення оптичних несучих (WDM)

Можна стверджувати, що подальше зростання пропускної здатності передавання даних на основі TDM обмежується не тільки технологічними складнощами при електричному часовому ущільненні, але й обмеженнями, що виникають внаслідок хроматичної дисперсії в ОВ (часове спотворення та руйнація імпульсу). Подальше нарощування пропускної здатності оптичного каналу зв’язку може бути здійснене за рахунок застосування іншого типу мультиплексування – багатохвильового мультеплексування несучих (WDM – Wavelength Division Multiplexing). Ідея цього методу полягає в тому, що інформаційних цифрових потоків, кожен з яких переноситься на несучій з своєю довжиною хвилі та рознесений у просторі один відносно іншого за допомогою спеціального пристрою – хвильового мультиплексору об’єднуються в один оптичний потік . Згодом цей потік вводиться у волокно та передається за допомогою оптичного кабелю. На приймальній стороні проводиться обернена операція демультиплексування.

Згідно з Рекомендаціями G.692, до систем передавання з WDM висуваються вимоги сумісності таких систем з інтерфейсами існуючих однохвильових систем SDH. Діапазон робочих довжин хвиль систем із WDM, які регламентуються цими рекомендаціями знаходяться в 3-му вікні прозорості (1530 –1565 нм). У термінах частот коливання цей регламентований діапазон знаходиться у межах 192.1 – 196.1 ТГц (ТГц = 10¹² Гц) із кроком у 100 ГГц. У термінах довжин хвиль цей діапазон обмежений проміжком 1528.77 – 1560.61 нм із кроком 0.8 нм. Стандарт складається з 41 довжини хвилі, тобто розрахований на 41 спектральний канал. Проте на практиці використовують лише 39 спектральних каналів, оскільки крайні канали знаходяться на схилах частотної характеристики оптичних підсилювачів, які використовують у системах із WDM.

Останнім часом спостерігається тенденція до зменшення частотного інтервалу між спектральними каналами до 50 і навіть до 25 ГГц. Природно, що застосування таких систем значно збільшить можливості систем з WDM. Таке ущільнення отримало назву щільного хвильового ущільнення (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing).

Зауважимо, що іноді в літературі абревіатуру DWDM використовують і для систем з кроком по частоті 100 ГГц.

Жорстка регламентація оптичних частот для систем WDM робить досить актуальною постановку питання про стабільність і точність керування частот оптичних несучих (). У Рекомендаціях ITU-T G.692 зазначено, що ця проблема знаходиться в стадії вивчення і тому в документах поки що немає конкретних числових значень цього параметра. Проте, виходячи зі встановлених значень частот спектральних каналів, можна з достатньою точністю оцінити допустиму ширину спектральної лінії випромінювання лазера , а також допустиму величину часової нестабільності оптичної частоти (часове зміщення (флуктуації) частоти лазера в часі). Для цього звернемося до рис. 5.5.1, де зображено положення центральних частот перших двох хвильових каналів системи DWDM (крок по частоті 50 ГГц).

Розглянемо два сусідніх канали, один з яких має центральну частоту 192.15 ТГц, а інший 192.2 ТГц. Сьогодні в оптичному зв’язку застосовують лише один тип модуляції – модуляцію інтенсивності, яка аналогічна амплітудній модуляції сигналу в електричному каналі. Будемо вважати, що на обох каналах передаються цифрові потоки рівня STM-64, тобто потоки зі швидкостями 10 Гбіт/с. Припустимо, що спектр цифрового потоку STM-64 обмежується першою гармонікою тактової частоти 10 ГГц (на практиці це майже завжди виконується). Тоді оптичний спектр кожного каналу буде складатися з 3-х складових – центральної частоти та двох бокових і . Зауважимо, що багатохвильове (спектральне) ущільнення оптичних каналів аналогічне частотному ущільненню радіоканалів, або багатокабельних систем з аналоговим методом передавання. Тому для багатохвильових оптичних систем справедливі ті самі співвідношення, що й для частотного ущільнення згаданих систем, для яких захисний інтервал між двома сусідніми каналами не повинен бути меншим, ніж подвійна верхня частота модуляції каналу. Наведений рисунок ілюструє випадок, коли ця умова виконує