Лекция 7 ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Вопросы: 1. Распространение света в оптоволокне. Виды волоконных световодов. 2. Оптические потери в оптоволокне. 3. Дисперсионные свойства волоконных световодов. Устройство простейшего оптического волокна Световые пучки должны падать под углами, обеспечивающими полное внутреннее отражение от раздела «серцевина-оболочка». Характеристики оптического волокна Передача света в оптоволокне – за счет эффекта полного внутреннего отражения nсерд > nобол. В стеклянном волокне n меняется с помощью легирования: • B2O3, F – уменьшают n; Материал • GeO2, P2O5 – увеличивают n. По материалу оптоволокно Стекло делится на: – стеклянные волокна; Пластик – стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой (PCS); – пластиковые волокна. Стандартные диаметры сердцевины и оболочки (мкм): – обозначения: 8/125, 62.5/125… (диаметр человеческого волоса 100). Длина волны в вакууме 850 1300 1550 650 Показатель преломления 1,4525 1,4469 1,4440 1,4…1,5 Ядро Оболочка 8 125 50 125 62,5 125 100 140 2 слоя: сердцевина и оболочка + защитная оболочка. Строение подводного оптоволоконного кабеля: 1. Полиэтилен. 2. Лавсановая плѐнка. 3. Витые стальные провода. 4. Алюминиевый "водный барьер". 5. Поликарбонат. 6. Медная или алюминиевая трубка. 7. Углеводородный гель. 8. Оптоволокно. Профили показателя преломления 2 r п1 (r ) n0 exp( ), 2n0 r a 2п0 n0 ln 2 а n2 Ступенчатый Градиентный Распространение световых лучей в ступенчатом и градиентном волоконных световодах Оптические моды в волоконном световоде Оптическая мода представляет собой вид (конфигурацию) световой волны, характеризуемый определенным пространственным распределением светового поля по сечению оптоволоконной системы, имеющий определенную собственную частоту (длину волны) и распространяющийся со своей скоростью. Число мод определяется из решения волнового уравнения для цилиндрического световода при соответствующих граничных условиях. Направляемые (волноводные) моды Основные параметры волокон n1 n2 n1 (относит. разность п1 и п2, типичное значение V 2 2 1 a(n 2 2 n ) − модовый параметр. При V < 2,405 волокно одномодовое (для ступенч. профиля). Типы оптоволокна 1. Одномодовое: – диаметр сердцевины 2…10 мкм. 2. Многомодовое: 1) Ступенчатое − d сердцевины 100 … 970 мкм. 1) ступенчатое (SF); 2) Градиентное − d сердцевины 50, 62.5, 85 мкм. 2) со смещенной дисперсией (DSF). Иногда - более сложная структура профиля. Оптические потери Оптические потери волоконного световода − важный фактор, ограничивающий передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Рout Pin exp( дБ L) Оптические потери в кварцевом волокне 10 Pвых log( ) L Pвх дБ Рэлеевские потери: R C/ 4 С = 0,7 – 0,9 (дБ/км)·мкм4 Минимальные потери: ≈ 0,2 дБ/км дБ (1,55 мкм) Дисперсия оптических волокон Дисперсия определяет степень и характер рассеивания (деформации) передаваемых оптических сигналов во времени. Дисперсия одномодового волокна Хроматическая (обусловлена тем, что различные спектральные компоненты оптического импульса распространяются с разными скоростями) Материальная (обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны) Поляризационная модовая (обусловлена анизотропией оптических мод в оптоволокне) Волноводная (обусловлена технологическими отклонениями от идеального профиля волокна (линейный эффект) Чем короче импульсы и чем выше битовая скорость, тем менее устойчива оптическая линия к хроматической дисперсии. (нелинейный эффект) Зависимость эффекта PMD от скорости передачи информации и длительности сигналов Дисперсионные коэффициенты dk d 1 0 2 d k 2 с , м гр 3 d 2n 1 2 d 2 2 2 c d , 2 с м 0 Дисперсионный параметр D d d Если D 1 2 c 2 2 пс (изм. в ) км нм < 0, то β2 > 0; если D > 0, то β2 < 0. Зависимость дисперсионного параметра D одномодового волокна от длины волны Волокно со смещенной областью нулевой дисперсии к 1,55 мкм Преимущества и недостатки ВОЛС • Преимущества оптоволокна: – высокая частота передачи сигнала широкая полоса пропускания высокая скорость передачи информации (теоретически – до 1 Тбит/с); – увеличение скорости в 2 раза: передача сигнала одновременно в двух направлениях, использование волн двух перпендикулярных поляризаций; – частотное уплотнение по оптоволоконным линиям связи (DWDM) передача разных сигналов на разных длинах волн; – низкие потери (0,2-0,3 дБ/км при =1,55). Потери не зависят от частоты передачи сигнала; – нечувствительность к электромагнитным помехам отсутствие искажений; – относительно малый вес; – пожаро- и взрывобезопасность. • Недостатки ВОЛС: – сложность изготовления; – снижение эффективности (деградация) с течением времени; – дороговизна оборудования, монтажа и обслуживания.