Волоконно-оптичний тракт. Принцип дії та параметри волоконного світловоду (вс)

Лекція 1

Як випливає з назви дисципліни, ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ТРАКТ, за допомогою якого організується зв’язок, використовує ВОЛОКНО. тобто нитку. Слово ОПТИЧНИЙ означає, що по волокну розповсюджуються світлові сигнали, тобто електромагнітні хвилі оптичного діапазону. Тому волокна роблять з прозорого для оптичного випромінення матеріалу, а саме з кварцового скла.

Вивчення функціональних пристроїв (ФП) волоконно-оптичних трактів будемо провадити, розглядаючи наступні моменти:

- призначення

- принцип дії

- параметри та

- конструкції ФП.

Функціональні пристрої, як випливає з назви дисципліни, щось роблять з оптичним випроміненням, що проходить по усьому волоконно-оптичному тракту, а саме: генерують, приймають та підсилюють його, змінюють його спектральні, енергетичні, часові, просторові та поляризаційні властивості.

Функціональні пристрої можна поділити на два групи – активні та пасивні.

Активними ФП будемо вважати:

– джерела випромінення;

– приймачі випромінення (фотоприймачі);

– оптичні підсилювачі.

Всі вони обов’язково потребують додаткових джерел енергії (живлення).

Пасивними ФП будемо вважати такі:

– оптичний кабель;

– з’єднувачі (роз’ємні та нероз’ємні);

– компенсатори дисперсії;

– мультиплексори – неселективні (розгалужувачі та відгалужувачі) та селективні – мультиплексори та демультиплексори за довжиною хвилі;

– оптичні ізолятори та атенюатори;

– хвильові перетворювачі (конвертери) (транспондери).

Всі ці ФП, що складають волоконно-оптичний тракт, мають бути узгодженими між собою за спектральними, енергетичними, часовими, просторовими (та поляризаційними) характеристиками.

Найпростіша схема волоконно-оптичної лінії зв'язку (ВОЛЗ)– це: - Передавач – Оптичний кабель – Приймач.

ПЕР

ОК

ПР

Рисунок 1.1

Для кращого розуміння взаємодії окремих елементів розглянемо детально УЗАГАЛЬНЕНУ структурну схему цифрової ОДНОХВИЛЬОВОЇ ВОСП (Рисунок 1.2). ВОЛЗ побудована між пунктами (сторонами) А та В.

ПОЗНАЧЕННЯ

АУ – апаратура ущільнення. Призначена для утворення групового сигналу із вхідних сигналів (на стороні А) та розгрупування групового сигналу на приймальній стороні (стороні В). Зазвичай уніфікована для трактів на оптичному та металевому кабелях.

Точки А та В – стик електричного та оптичного (лінійного) трактів.

ПК *– перетворювач коду. Призначений для перетворення двополярного квазитрійкового коду електричного тракту в однополярний двійковий код лінійного тракту (Це на стороні А. На стороні В – зворотне перетворення).

(Рисунок 1.3). * - застосовується ПК у системах з PDH.

ЕОП – електронно-оптичний перетворювач. Призначений для перетворення електричних сигналів в оптичні (енергії).

Складається ЕОП з:

ДВ – джерела оптичного випромінення. Призначене для створення оптичної несучої.

У ВОСП застосовуються напівпровідникові джерела випромінення (ДВ) двох видів: світловипромінювальні діоди (СВД) та інжекційні лазерні діоди (ЛД). Характер випромінювання різних типів ДВ є різним.

Напівпровідникові ДВ мають дуже цінну для волоконно-оптичного зв’язку практичну властивість – можливість здійснення безпосередньої модуляції оптичного випромінення (внутрішня модуляція інтенсивності світла) простою зміною величини струму накачки. Тобто немає потреби у зовнішньому модуляторі це для деяких типів ВОСП – окрім з WDM).

Випромінення СВД є спонтанним, малонаправленим та некогерентним. Тому для ефективного передавання енергії від СВД необхідно використовувати багатомодові оптичні волокна (ОВ) з великим значенням числової апертури.

Випромінення ЛД є стимульованим, (вимушеним, індукованим) та когерентним, що має високу направленість. При перевищені струмом накачки деякого порогового рівня виникає генерація стимульованого випромінення, що має значну інтенсивність на одній або декількох модах резонатора та вузьку діаграму направленості (ДН). Через це ЛД забезпечують ефективне уведення потужності не тільки у багатомодове, а також у одномодове ОВ.

Найважливішими параметрами ДВ є:

  1. Потужність випромінення – Р, мВт, або рівень потужності, рпер., дБм.
  2. Довжина хвилі випромінення – , мкм.
  3. Ширина спектральної лінії випромінення – , нм.
  4. Максимальна частота модуляції Fмакс., МГц (ГГц), або швидкість передавання, В, Мбіт/с, що їй чисельно дорівнює.
  5. Ширина діаграми направленості, що характеризує просторовий розподіл потужності (інтенсивності) випромінення та характеризується кутом 2, що має два значення: 2 та 2 – в площинах паралельних та перпендикулярних переходу.
  6. Коефіцієнт корисної дії - . Для СВД становить декілька відсотків, для ЛД – близько 40%.

Для різних типів ДВ середні величини вказаних параметрів наведені у таблиці.

Тип ДВ

, мкм

Р, мВт

, нм

Fмакс., МГц

2, град.

СВД

0,85

0,03–0,05

20 – 50

<250

120 -180

1,3

50 – 100

60 - 80

1,55

100 – 200

ЛД

0,85

1,0

1 – 4

(0,1 – 1)

>1000

2 – 4 - 10

1,3

2 <40

1,55

М – модулятора світла. Призначений для модуляції оптичної несучої за потужністю (інтенсивністю).

ССП – системи стабілізації потужності. Призначена для стабілізації середньої потужності оптичного випромінення. (Рисунок 1.4).

ПУ – пристрою узгодження. Призначений для узгодження діаграми направленості джерела випромінення та апертури NA оптичного волокна (ОВ). (Рисунок 1.5).

ОР – оптичний відгалужувач (розгалужувач). Призначений для відгалуження малої частки оптичної потужності для проведення моніторингу (не обов’язковий).

ВОК (ОК) – волоконно-оптичний кабель. Призначений для передачі оптичних сигналів на певну відстань та в певному напрямку.

Оптичне волокно має найменше загасання у трьох вікнах прозорості – 1-му - 0,85; 2-му - 1,31 та 3-му - 1,55 мкм.

ОВ характеризується:

Втратами світла, або коефіцієнтом загасання , дБ/км – становить приблизно 3,0; 0,36 та 0,2 для вікон прозорості 1, 2 та 3 відповідно (Рисунок 1.6).

2. Питомою (кілометричною) дисперсією, 1, нс/км, або коефіцієнтом питомої кілометричної дисперсії, хр., пс/(нм*км) (для оптичних волокон, що працюють в одномодовому режимі). Дисперсія призводить до уширення імпульсів і, як наслідок, до їхнього перекриття, тобто до міжсимвольної інтерференції. (Рисунок 1.7).

ОК характеризується повними втратами а на довжині кабелю L, км. Втрати призводять до зменшення амплітуди імпульсів. (Рисунок 1.8).

ОП – оптичний підсилювач. призначений для підсилення оптичних сигналів.

ЛР – лінійний регенератор. Призначений для регенерації оптичного сигналу, тобто Для відновлення амплітуди та форми оптичного імпульсу (та положення його на часовій осі). Працює за схемою “СВІТЛО – СТРУМ – СВІТЛО”. (Зараз є повністю оптичні регенератори – КОМПЕНСАТОР ДИСПЕРСІЇ + ОПТИЧНИЙ ПІДСИЛЮВАЧ).

ОЕП – оптико-електронний перетворювач. Призначений для перетворення оптичних сигналів в електричні (енергії).

ОЕП складається з:

Ф – фотоприймача. Призначений для приймання оптичних сигналів та їх перетворення в електричні.

У якості фотоприймачів для ВОСП використовуються напівпровідникові p-i-n та лавинні фотодіоди (ЛФД).

Найважливішими параметрами є:

  1. Чутливість – рівень порогової потужності випромінення – ропт.пор., дБм. (Рисунок 1.9).
  2. Довгохвильова межа чутливості, - довг., мкм.
  3. Швидкодія (інерційність), , пс, або Максимальная частота модуляції Fмакс., що приймається, МГц (ГГц).
  4. Коефіцієнт корисної дії - . може становити 85-90 відсотків.

ПУ – пристрою узгодження. Призначений для узгодження апертур оптичного волокна та фотоприймача (Рисунок 1.10).

ПН – перетворювача напруги. Призначений для живлення фотоприймачів (лавинних фотодіодів) підвищеною напругою – до 150 – 300 вольт.

СРР – системи автоматичного регулювання рівня. Призначена для забезпечення динамічного діапазону фотоприймача при зміні рівня вхідних сигналів.

ПП – попереднього підсилювача. Призначений для підсилення слабких електричних сигналів фотоприймача.

ПК та АУ – вже було на початку.

Для того, щоб ВОЛЗ працювала з заданою якістю, тобто щоб коефіцієнт помилок Рпом. не перевищував допустимий Рпом.доп. за заданої швидкості передавання В, треба, щоб усі пристрої, що входять до складу волоконно-оптичного тракту, були узгоджені між собою за:

  1. Спектральними характеристиками, тобто щоб ДВ, ОК та фотоприймач працювали в одному й тому ж вікні прозорості.
  2. Енергетичними характеристиками: повні втрати а в ОК на довжині кабелю L були узгоджені з рпер. та ропт.пор..
  3. Часовими характеристиками, тобто щоб швидкість передавання В була узгоджена з максимальною частотою модуляції Fмакс. джерела випромінення, питомою (кілометричною) дисперсією 1 ОК, довжиною кабелю L та швидкодією фотоприймача.
  4. Просторовими характеристиками, тобто щоб були узгоджені діаграма направленості (ДН) джерела випромінення та апертури NA оптичного волокна та фотоприймача.

ЛЕКЦІЯ 2

Тема: Принцип дії та параметри волоконного світловоду (вс).

ПАРАМЕТРИ ПЕРЕДАЧІ ВС

Розглянемо основний елемент оптичного кабелю – оптичне волокно (ОВ). Функціонально ОВ є направляючою (спрямовуючою) системою. Конструктивно ОВ складається з волоконного світловоду (ВС), що вкритий захисним полімерним покриттям. ВС може бути дво- або трьохшаровим. Більш загальним є діелектричний світловод – ДС.

2.1 Принцип дії ДС

Принцип дії ДС полягає у використанні явища Повного Внутрішнього Відбиття (ПВВ), коли від границі двох різних середовищ відбивається електромагнітна хвиля. Відбивання енергії хвилі за ПВВ – 100%. Середовища розрізняються за показником заломлення матеріалу n = ()0,5. Для немагнітного діелектрика = 1, тому n = ()0,5. Показник заломлення визначається як

n = С/V, (2.1)

де С – швидкість світла у вільному просторі, V – фазова швидкість світла у середовищі (матеріалі) з показником заломлення n.

Якщо промінь світла 1 падає на границю розділу двох середовищ I та II з n1 та n2 відповідно під кутом падіння 1 (n1>n2) (рис.2.1а), то подальший шлях його – це розповсюдження відбитого 2 (під кутом 3) та заломленого 3 (під кутом 2) (якщо він буде) променів, напрямок яких буде визначатися законами Снелля:

1. 1 = 3. (2.2)

2. n1sin1 = n2sin2 (2.3)

де 2 та 3– кути заломлення та відбиття відповідно.

РИСУНОК 2.1

Якщо збільшувати 1, то настане момент, коли 2 = 90о. Відповідно цьому кут 1 називається критичним – кр.

РИСУНОК 2.1,б

За умови, коли кут падіння 1> кр.= arcsin(n2/n1), заломленого променя не буде (рис.2.1в), а буде існувати тільки відбитий (на 100%) промінь. Тобто, за умов

1 кр.= arcsin(n2/n1) (2.4)

при n1>n2 буде спостерігатися явище ПВВ.

2.2 Планарний світловод

Утворимо планарний світловод, що складається з трьох пласких шарів, котрі мають n1> n2, n3, n0 відповідно (n0 – показник заломлення оточуючого середовища, зазвичай повітря – n0 = 1) (рис.2.2). Якщо n2 = n3 – такий ДС називається симетричним. Якщо n2 n3 – несиметричним.

РИСУНОК 2.2

Світло розповсюджується по світловоду, послідовно відбиваючись від границь серцевини та оболонок (шари з n1 та n2, n3 відповідно). Променям відповідають хвилі (моди – типи хвиль). Енергію сигналу переносять моди серцевини, або напрямлені моди (НМ). Якщо на границі серцевина–оболонка не виконується умова ПВВ, тоді світлові промені частково відбиваються від границі серцевина – оболонка у серцевину волокна, а здебільшого заломлюються в оболонку, де втрачають свою енергію й губляться, не передаючи енергію сигналу по ДС. Такі моди мають назву моди оболонки – (МО) (“витікаючі” моди). Якщо ж і на границі між оболонками та оточуючим середовищем не виконується умова ПВВ, тоді світло головним чином виходить в оточуюче середовище, а моди мають назву випромінювальні моди (ВМ).

2.3 Волоконний світловод. Параметри ВС

Волоконним світловодом (ВС) називають канал для розповсюдження оптичного випромінення, що складається із серцевини, оточеної оболонкою, що виготовлені з оптично прозорих матеріалів (головним чином з кварцового скла).

ВС складається з серцевини та однієї чи більше оболонок; їх матеріал є прозорим у ближній інфрачервоній ділянці спектру та характеризується
показниками заломлення n1, n2, n3 .... відповідно. Серцевина ВС слугує каналом для розповсюдження напрямлених мод.

Основним елементом оптичних кабелів зв’язку є оптичне волокно (ОВ). ОВ являє собою волоконний світловод, що вкритий захисним полімерним шаром.

Поперечний переріз двохшарового ВС зображено на рис.2.3.

РИСУНОК 2.3

До геометричних параметрів належать діаметр серцевини та оболонки та інші (див. Рекомендації МСЕ-Т G.651- G.655).

Розглянемо оптичні параметри ВС.

Профіль показника заломлення (ППЗ). ППЗ – це залежність n = n(r), де r – це поточний радіус. Зазвичай n2= const.

У загальному випадку n1(r) описується таким виразом:

n1(r) = n1(0)[1-2(r/a)g]0,5 (коли 0 < r < a) (2.5)

де n1(0) – значення n1 на осі світловода,

= (n1 – n2)/n1 – відносна різниця показників заломлення n1 та n2,

(значення лежать в межах 0, 002 – 0,02. Тобто n1 може дуже мало відрізнятися від n2, наприклад, n1 = 1,448, а n2 = 1,444),

g – показник степеня ППЗ.

В залежності від g розрізняють кілька головних ППЗ:

Східчастий, або однорідний – коли n1(r) = const (рис.2.4,а).

Градієнтний або степеневий. Коли g = 2 – такий ППЗ називають параболічним (рис.2.4,б).

W- подібний профіль. Для нього характерна наявність трьох шарів – серцевини та двох оболонок, для яких n1>n2,n3, але n2<n3 (рис.2.4,в).

Траєкторія променів у ВС з однорідним та градієнтним ППЗ показана на рис.2.4.

РИСУНОК 2.4

2.4 Числова апертура

Апертура ВС визначає здатність ВС сприймати випромінення, що падає на його торець, і передавати його далі за рахунок явища ПВВ на границі серцевина-оболонка. Тобто вона визначає той тілесний кут, в межах якого промені, що падають на торець світловода, розповсюджуються далі як напрямлені моди. ВС характеризують так званою числовою апертурою NA, що визначається формулою (2.6):

NA = n0*Sin (2.6)

де – апертурний кут,

  • n0 – показник заломлення оточуючого середовища.

Апертурний кут - це максимальний кут падіння променів на торець ВС, за якого можливе напрямлене розповсюдження світла у ВС (рис.2.5).

РИСУНОК 2.5

Розраховується NA за наступною формулою:

(2.7)

Цю формулу можна застосовувати для ВС як із східчастим, так і з градієнтним ППЗ. Для останнього числова апертура називається локальною. Значення NA лежать в межах 0,15 – 0,23 (за Рекомендаціями МСЕ-Т G.651 – G.655).

На практиці використовують вимірювання ефективної числової апертури (е.ч.а.). Вона визначається як

Naеф. = n0*Sinеф.

Знайти ефективну числову апертуру можна двома способами за методами визначення ефективного апертурного кута.

Якщо збуджувати ВС широким пучком світла, тобто більшим за той, що сприймається апертурою ВС, тоді на виході ВС випромінення буде виходити в межах апертури ВС, що є більш зручним для вимірів проведення апертурних характеристик ВС. Тоді:

1. Ефективна числова апертурою Naеф.. визначається кутом еф. між напрямком максимального випромінення (тобто уздовж осі ВС) та напрямком, в якому інтенсивність (потужність) випромінення складає заданий рівень (наприклад 0,1) від максимального (рис. 2.6).

Тут ВС – волоконний світловод; ФП – фотоприймач (вимірювач оптичної потужності), І - індикатор.

2. Ефективна числова апертура Naеф. визначається кутом еф., що дорівнює половині плаского кута при вершині конуса, у якому зосереджена задана частина (наприклад 0,9) повної потужності оптичного випромінення, що виходить з вихідного торця волокна. Тоді, якщо в першому положенні діафрагми D (діаметром D) (рис.2.7,а) індикатор фотоприймача показує 100%, то, змінюючи положення обмежувальної діафрагми D вздовж осі випробуваного волокна (рис.2.7,в) – положення ІІ (на відстані L від ВС), ми отримаємо показання індикатора як певної частина потужності, наприклад, 90%. Тоді ефективний апертурний кут е можна знайти з виразу:

tg eф. = D/(2L) (2.6)

і далі за допомогою формули (2.6) знайти Naеф...

2.5 Нормована (робоча) частота

Режим роботи ВС (одно- чи багатомодовий) визначається нормованою частотою V:

V = 2a*NA/ (2.7)

де – довжина хвилі світла у вакуумі;

a – радіус серцевини ВС,

NA –числова апертура.

Тоді кількість мод N для ВС зі східчастим профілем показника заломлення визначається як:

N = V2/2 (2.8)

А для ВС із параболічним ППЗ як:

N = V 2/4 (2.9)

Ці формули справедливі для V»1.

З формули (2.8) ясно, що якщо ВС працює у багатомодовому режимі, то, зменшуючи діаметр серцевини ВС, можна досягти переходу в одномодовий режим. Одномодового режиму можна досягти також, якщо зменшувати NA. Загалом одномодовий режим досягається, якщо нормована частота буде менше за Vвідс. =2,405 для ВС із східчастим профілем показника заломлення, а для ВС із параболічним ППЗ – менше за Vвідс.=3,532, де Vвідс. – це частота відсічки мод вищого порядку. За таких умов по ВС буде розповсюджуватися тільки одна мода – гібридна НЕ11.

2.6 ПАРАМЕТРИ ПЕРЕДАвання ВОЛОКОННОГО СВІТЛОВОДА

До головних параметрів передачі ВС відносяться загасання a та дисперсія . Для цифрових систем передавання загасання призводить до зменшення потужності світла, тобто до зменшення амплітуди імпульсів. Це призводить до обмеження довжини регенераційної ділянки Lрд. Дисперсія призводить не тільки до зменшення довжини регенераційної ділянки Lрд., а також до обмеження швидкості передавання В.


2.6.1 Загасання (втрати) світла у волоконних світловодах

Механізми втрат світла в оптичних волокнах

Втрати світла у волокні можна умовно розділити на втрати у матеріалі волокна та втрати, що виникають у волокні при розміщенні його у складі оптичного кабелю. Головними є втрати в матеріалі волокна, що визначаються двома причинами — розсіюванням і поглинанням.

Розсіювання світла притаманне всім стеклам і відбувається на оптичних неоднорідностях – флуктуаціях щільності і складу скла (а в волокнах також на порушенні геометричної форми серцевини і оболонки). При цьому частина оптичної енергії розсіюється у просторі відносно напрямку розповсюдження (або покидає волокно) і не спостерігається жодних перетворень енергії.

Коли r« (розмір неоднорідності значно менший за довжину хвилі), розсіювання називається релеєвським і його потужність зменшується із зростанням довжини хвилі пропорційно 1/4. В природі явищем релеєвського розсіювання пояснюється наприклад блакитний колір неба, білий колір хмаринок і червоний колір Сонця при сході його та при заході.

При r має місце розсіювання Мі. В природі цим пояснюється, наприклад, зміна кольору неба від блакитного в зеніті до темного на обрії. Мала або повна непрозорість туману є наслідком сильного розсіювання Мі. Ослаблення світла Сонця на сході та заході також значною мірою обумовлено розсіюванням Мі.

В оптичних волокнах високої якості не міститься неоднорідностей з розмірами, що можуть бути порівнянні з довжиною хвилі. За своєю природою скло є невпорядкованою структурою, однак мікроскопічні відхилення від середньої щільності матеріалу, а також локальні мікроскопічні зміни у складі за своїми розмірами менші за довжину хвилі. Тому втрати на розсіюванні у оптичних волокнах з кварцу визначаються лінійним розсіюванням Релєя, коли Ррозс. ~ Рпод..

Втрати на поглинанні зумовлені як власним поглинанням у склі, так і поглинанням через домішки. При цьому частина енергії світла, що розповсюджується в матеріалі, перетворюється на тепло, збільшуючи теплову енергію матеріалу. Лінії поглинання кварцу лежать в ультрафіолетовій частині спектру (переходи між енергетичними рівнями електронів у атомах) та в інфрачервоній (переходи між коливальними рівнями атомів у гратці). Вони розташовані далеко від області спектру, що нас цікавить (0,8 1,6 мкм). Однак власне поглинання настільки велике, що кінці смуг поглинання захоплюють робочу область кварцових волокон при дуже низькому рівні втрат. Власне поглинання і релеєвське розсіювання на мікро флуктуаціях щільності матеріалу кварцового світловоду визначають мінімально досяжні фундаментальні втрати в матеріалі світловоду. На рис. 2.8 показана спектральна характеристика коефіцієнту загасання в кварцовому світловоді з низьким рівнем втрат. Крива 1 – ультрафіолетове поглинання в матеріалі, крива – 2 інфрачервоне поглинання, 3 – релеєвське розсіювання.

Втрати у світловоді збільшуються через наявність домішок. Домішки можуть бути як небажаними, так і спеціально введеними до складу скла. Це необхідно для створення матеріалів з різним значенням показника заломлення – більшим для матеріалу серцевини (на це слугують оксиди германію та фосфору) та меншим для матеріалу оболонки волоконного світловоду (ВС), що досягається введенням до складу скла фтору та оксиду бору. Треба зауважити, що домішки бору не застосовують, коли волоконний світловод буде працювати на довжині хвилі 1,55 мкм.

Найбільш небажаними є домішки води і перехідних металів першої групи (ванадію, хрому, магнію, залізі, кобальту та нікелю). Довжини хвиль, на яких поглинають домішки металів, залежить від степені окислення іону металу. Для того, щоб приріст поглинання не перевищував 1 дБ/км, концентрація домішок повинна бути нижче за 10-9.

Наявність гідроксильної групи ОН, що входить до складу води, призводить до збільшення поглинання на довжинах хвиль, 2,37, 1,39, 1, 24, 1,13, 0,95, 0,88, 0,72 мкм. Піки поглинання різноманітні за величиною, асиметричні відносно центральної довжини хвилі (поглинання є більшим на менших довжинах хвиль). Вони разом з прозорою частиною спектру утворюють так звані “вікна прозорості” з мінімальним поглинанням на хвилях довжиною 0,85, 1,3 та 1,55 мкм. Їхня ширина залежить від складу робочого скла. На робочих довжинах хвиль 0,8 0,9 мкм концентрацію водяних парів достатньо знизити до 10-7. однак при =1,2 1,6 мкм концентрація групи ОН повинна бути не вище 10-8. Досягнути цього надзвичайно важко. Однак останнім часом розроблені оптичні волокна, в яких ця проблема вирішена, що дає можливість зробити відкритими нові робочі діапазони на довжинах хвиль в діапазоні 1350 1450 нм. У порівнянні зі звичайними одномодовими волокнами зменшення втрат в межах цього вікна прозорості робить можливим створення ліній передач з більшою довжиною регенераційної ділянки, дає можливість здійснювати передачу при високій швидкості (10 Гбіт/с) приблизно на вдвічі більшу відстань.

Втрати у волокні збільшуються також через ряд причин (крива 6 на рис. 2.8), що зумовлені недостатньо досконалою технологією виготовлення світловодів і кабелів: забрудненням волокон у процесі їхньої витяжки, коливанням розмірів поперечного перерізу вздовж світловоду, нерівністю межі серцевина-оболонка, а також згладжуванням цієї межі під час витяжки волокна через дифузію домішок, які вводяться для зміни показника заломлення, виникненням мікро – та макровигинів при складанні волокон у кабелі.

Експериментально крива (4) на рис. 2.1 має три локальних мінімуму — вікна прозорості на довжинах хвиль 0,85; 1,3 та 1,55 мкм.. Характеристика коефіцієнту загасання у сучасних волокон зі зменшеною концентрацією групи ОНпредставлена кривою (5) на рис. 2.8.

Рисунок 2.8. – Спектральна характеристика коефіцієнту загасання в світловоді.

Вимірюється загасання a в дБ, а коефіцієнт загасання або погонне або кілометричне загасання – у дБ/км. (рис.2.8).

2.6.2 Дисперсія імпульсів у волоконних світловодах

При проходженні імпульсних сигналів по ВС змінюється не тільки амплітуда імпульсів, але і їхня форма - імпульси розширюються. Це явище називають дисперсією імпульсів. Розширення імпульсів відбувається через розсіювання у часі модових та спектральних складових оптичного сигналу.

Дисперсія в загальному випадку визначається трьома основними чинниками: відмінністю групових швидкостей, мод що розповсюджуються у ВС, та направляючими властивостями світловодної структури і властивостями матеріалу світловода.

Відмінність групових швидкостей (групова швидкість – це швидкість перенесення енергії в заданому напрямку) розповсюдження мод у багатомодовому ВС, що спрямовують на фіксованій частоті (довжині хвилі) випромінення джерела, призводить до того, що час проходження цих мод по світловоду від входу ВС до виходу неоднаковий. В результаті імпульс , що утвориться ними, на виході розширюється, причому величина розширення дорівнює різниці часу розповсюдження самої повільної і самої швидкої моди. Означене явище носить назву міжмодової дисперсії. Пояснення розширення імпульсів викладено на рис.2.10. На рис 2.10а – для східчастого профілю. Для зменшення дисперсії використовують ВС із градієнтним ППЗ (рис.2.10,в).

Відмінність швидкостей розповсюдження кожної з спектральних складових напрямлених мод , що утворюють сигнал , на різних частотах спектру випромінення джерела призводить до різної часової затримки частотних складових сигналу, тобто до хроматичної (внутрішньомодової) дисперсії. Причиною хроматичної (внутрішньомодової) дисперсії є кінцева ширина спектральної лінії джерела випромінення. Чим ширше спектр випромінення оптичного джерела, тим більше хроматична дисперсія.

Хроматична дисперсія складається в основному з хвилеводної дисперсії, дисперсії матеріалу і профільної дисперсії.

Хвилеводна дисперсія зумовлена спрямовуючими властивостями, світловодної структури, а саме нелінійною залежністю коефіцієнту фази даної моди ВС від довжини хвилі (частоти) оптичного випромінення. Дисперсія матеріалу ОВ зумовлена залежністю показника заломлення матеріалу серцевини і оболонки від довжини хвилі оптичного випромінення.

Загальна величина розширення імпульсів на ділянці світловоду довжиною L складає :

= ( + + )0,5 (2.10)

де між., хр. пол.- міжмодова, хроматична та поляризаційна складові дисперсії відповідно. Остання може бути помітною тільки у одномодових ВС.

В одномодових ВС міжмодова дисперсія буде відсутня і розширення імпульсу, що передається, відбувається внаслідок хроматичної дисперсії основної моди.

В одномодових ВС розповсюджується тільки одна мода розширення НЕ11 (LP01) і розширення імпульсу визначається, головним чином, дисперсією матеріалу і хвилеводною

ХР. = ВН = *L*(T1 + Т2 +Т3), (2.11)

де - ширина спектральної лінії джерела випромінення , нм ;

L - довжина ВС, км;

Т1 - складова дисперсії матеріалу, пс/(нм*км);

Т2 - складова хвилеводної дисперсії, пс/(нм*км);

Т3 - дисперсія профілю показника заломлення, пс/(нм*км).

Ті ще називають коефіцієнтом питомої хроматичної дисперсії.

Для подальших розрахунків вираз 2.11 можна записати і таким чином

ХР. = ВН = 1*L,

де 1 = *(T1 + Т2 +Т3).

2.7 РОЗРАХУНОК ДОВЖИНИ РЕГЕНЕРАЦІЙНОЇ ДІЛЯНКИ

Довжиною регенераційної ділянки Lрд. називається довжина кабелю, на якій зберігається задана якість передавання, тобто коефіцієнт помилок не перевищує допустимий за заданої швидкості передавання. Інакше це та довжина кабелю, на якій ще можна РЕГЕНЕРУАТИ, тобто ВІДНОВИТИ СИГНАЛ – форму та амплітуду імпульсу, а також його положення на часовій осі.

Значення довжини регенераційної ділянки (РД) Lрд. визначається заданими параметрами передачі інформації по ВОСП: ймовірністю помилки в прийнятому повідомленні Рпом., потрібною швидкістю передачі сигналів В і елементною базою ВОЛЗ (приймачем, передавачем, ОК). Довжина регенераційної ділянки Lрд. повинна бути максимальною з точки зору економічності та забезпечення високої якості передачі інформації. Характеристики оптичного волокна повинні забезпечити максимальну довжину ділянки регенерації.

Найбільша довжина регенераційної ділянки визначається загальними втратами в лінійному тракті і розширенням імпульсів у волоконному світловоді.

Причиною обмеження величини Lрд. при заданих значеннях Рпом та В є два фактора:

  1. спотворення форми імпульсів, що передаються по ВОЛЗ, за рахунок неідеальних часових характеристик лінійного тракту, тобто дисперсії імпульсів;
  2. загасання сигналів в лінійному тракті.

2.7.1 Розрахунок довжини регенераційної ділянки за часовими характеристиками

При розповсюдженні по ВС імпульси розширюються і може настати момент, коли перекриття імпульсів буде настільки великим – МІЖСИМВОЛЬНА ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ, що на приймальному кінці не можна буде правильно приймати передачу, тобто збільшиться кількість помилок і погіршиться якість передавання (рис.2.11).

Досліджено, що максимальна швидкість передавання В наступним чином залежить від дисперсії:

В 0,25/(1*L) (2.12)

Тоді для розрахунку довжини РД використовується формула:

Lрд.,

(2.13)

1 – погонна дисперсія з урахуванням ширини спектральної лінії джерела випромінювання – (20 200) нм для СВД та (0,1 – 4) нм для ЛД;

Вопт. – швидкість передавання в оптичному тракті.

2.7.2. Розрахунок довжини регенераційної ділянки за енергетичними характеристиками

Для забезпечення завданої якості передачі необхідно щоб:

Рф. Ропт.порог..

(2.14)

де: РФ. – потужність на вході фотоприймача;

Ропт.порог. – мінімально необхідна потужність сигналу для даного типу фотоприймача для забезпечення заданої якості передавання.

Величину П = рпер. – ропт.порог.., дБ називають енергетичним потенціалом системи зв’язку. Тут рпер. – рівень потужності передавача, ропт.порог – мінімально необхідний рівень потужності сигналу для даного типу фотоприймача для забезпечення заданої якості передавання, що даються в дБм. Рівень потужності визначається виразом:

р(дБм) = 10 lg

(2.15)

Цей енергетичний потенціал йде на покриття втрат в оптичному тракті – ОК, з’єднаннях будівельних довжин ОК, роз’ємних з’єднаннях та на експлуатаційний запас.

Тоді формула для розрахунку максимальної Lрд має вигляд:

Lрд.макс.. (П – рзап. – 2*рз.)/( +нз./lбуд.),

(2.16)

де рзап. - експлуатаційний запас системи зв'язку, (рзап. = (6 – 10) дБ у нас, на Заході – 1 дБ);

рз - втрати в оптичному роз’ємному з'єднанні, (рз = 0,5 - 1 дБ/з'єднання);

- втрати в оптичному кабелі, = 0, 3 дБ/км (паспортні дані кабелі для довжини хвилі 1, 3 мкм);

нз - загасання в нероз’ємному з'єднанні ( нз = (0,05 - 0, 15) дБ/з'єднання);

lбуд - середня будівельна довжина кабелю, (lбуд = (2 – 4) км);

П - енергетичний потенціал системи, (П = (30 – 36)дБ).

Якщо наближати фотоприймач до передавача, сигнал на його вході буде зростати, а якість передавання буде зберігатися доти, поки спрацьовує система регулювання рівня. При подальшому зближенні будуть спотворення і якість передавання погіршиться. Тому довжина регенераційної ділянки також не може бути менше певної довжини У випадку, якщо необхідна довжина лінії зв'язку менше мінімально припустимої довжини, необхідно ставити оптичні послаблювачі (атенюатори).

Мінімально припустима довжина РД визначається з виразу:

Lрд.мін. (П – рсрр .– 2*рз)/( +нз/lбуд.),

(2.17)

де рсрр - динамічний діапазон автоматичного регулювання рівня (СРР), (наприклад, рсрр = 20 дБ).

Із розрахованих максимальних довжин регенераційної ділянки для подальших розрахунків обирають найменшу з них.

16

Волоконно-оптичний тракт. Принцип дії та параметри волоконного світловоду (вс)