Фотоника и оптоинформатика

вые оптические волокна мирно сосуществуют: одномодовые волокна используются в основном для магистральных коммуникаций, а многомодовые – для коротких линий (в домах и офисах): их легче монтировать, они более надежны в эксплуатации.

На рис. 11.2 показан случай ввода гауссова пучка света в световод с отклонением от его центральной оси. Входная волна, возбуждает сначала основную 0-ю моду, затем 1-ю моду, после чего поочередно следуют моды более высоких порядков. Все моды должны распространяться одновременно. Та часть волноводных мод, которая не укладывается в световод, образует вытекающую моду и излучается за пределами световода. Эта часть света образует потери при вводе излучения в волновод.

Рис. 11.2. Развитие собственных мод, соответствующих одной падающей волне. Показаны тримоды: 0, 1 и2-го порядка сблизким распределением интенсивности, атакже моды высшего порядка имода излучения

ОВ применяются в системах оптической связи, в датчиках, в оптических компьютерах, для канализации мощного лазерного излучения. Важнейшими характеристиками ОВ являются опти-

ческие потери, дисперсия групповой скорости, оптическая нелинейность и механическая прочность.

Оптические потери обусловлены поглощением света по длине ОВ и оцениваются в децибелах (дБ/км). Если на входе ли-

271

нии протяженностью L мощность сигнала равна P0, а на выходе

P1, потери α на 1 км длины линии равны (10 L)lg ( P P ).

0 1

Спектры потерь в изогнутых и прямых волокнах могут существенно различаться. В прямых волокнах потери ограничиваются в основном рэлеевским рассеянием (происходит на оптических неоднородностях, размеры которых значительно меньше длины волны) и уменьшаются с увеличением длины волны ~λ–4 , например, на λ = 1550 нмпотеривсегда меньше, чемнаλ = 1310 нм.

В то же время в изогнутых волокнах потери могут, наоборот, увеличиваться с увеличением длины волны. Изгибы световода, как и различные неровности границы раздела, приводят к выходу излучающей моды за его пределы.

Потери при изгибании волокна возникают по двум причинам. Во-первых, потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна. Обусловлены они тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некую величину d, зависящую от радиуса изгиба волокна (рис. 11.3). В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными друг

Рис. 11.3. Схема, поясняющая причину возникновения потерьв месте соединения прямого и изогнутого волокна: а– в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно осиволокна навеличину d; б– вместе соединения «прямого» и изогнутого волокна их модовые пятна смещены друг относительно друга на величину d

272

относительно друга также на величину d. Поэтому только часть мощности моды «прямого» волокна (диаметром w) передается моде изогнутого волокна, остальная же мощность преобразуется в оболочечные моды и теряется.

Во-вторых, мощность те-
ряется и непосредственно в изо-
гнутом	волокне. Происходит
это из-за того, что в изогнутом
волокне периферийная		часть
моды распространяется со ско-
ростью больше скорости света
всреде (в оболочке). Эта часть
моды излучается воболочку во-
локна и в конечном счете теря-
ется (рис. 11.4). Величина этих			Рис. 11.4. Схема, поясняющая
потерь тем больше, чем больше			возникновение потерь в изогнутом
число	витков волокна	ичем	волокне. Звездой обозначена точ-
меньшерадиусизгибаволокна.			ка, где скорость распространения
Дисперсия (разброс, откло-			фазового фронта превысила
			скорость света в среде
нение) –	это эффект зависимо-

стифазовой скорости световых колебаний от длины волны. Она приводит к искажению формы

идлительности светового импульса. Поскольку при цифровой передаче информация кодируется последовательностью импульсов, то чем они короче и больше их число в единицу времени, тем больше информации можно передать. Если же импульсы расплываются настолько, что приемник не может их различить, то приходится понижать плотность их следования, при этом уменьшается

ипропускная способность канала. Различают материальную и модовую дисперсию, обусловленную разными факторами. Первая зависит от состава материала, авторая– отгеометрии волокна.

Материальная дисперсия возникает из-за того, что спектр оптического сигнала имеет конечную ширину и разные спектральные компоненты сигнала движутся в волокне с разной ско-

273

ростью (рис. 11.5). В результате световой импульс после прохождения через дисперсионную среду уширяется.

Рис. 11.5. Материальная дисперсия в одномодовом волокне

Появление модовой дисперсии обусловлено изменением скорости распространения волны из-за зависимости показателя преломления среды от длины волны. В волокне волна распространяется в двух средах – частично в сердцевине, а частично – в кварцевой оболочке, и для нее показатель преломления принимает некое среднее значение между значением показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки (рис. 11.6).

Рис. 11.6. Модовая дисперсия возникает из-за того, что усредненный по диаметру моды показатель преломления изменяется при изменении длины волны

274

Этот средний показатель преломления может изменяться по двум причинам. Во-первых, из-за того, что показатели преломления сердцевины и кварцевой оболочки примерно одинаково зависят от длины волны. Во-вторых, потому, что при изменении длины волны, меняется глубина проникновения поля в кварцевую оболочку и, соответственно, меняется среднее значение показателя преломления. Это чисто межмодовый эффект, и поэтому возникающую из-за него дисперсиюназываютмежмодовой(волноводной).

Волноводная дисперсия может возникнуть и в одномодовом волокне при поляризации света и двулучепреломлении. Она наводится в номинально круглом волокне при его изготовлении из-за неизбежного появления небольшой эллиптичности сердцевины ивнутренних напряжений, не обладающих аксиальной симметрией (рис. 11.7). Поскольку наведенные в волокне напряжения неимеют выделенного направления, величина и азимут двулучепреломления изменяетсяслучайным образомвдоль осиволокна.

Рис. 11.7. Причины возникновения поляризации (двулучепреломления) в оптических волокнах

Как правило, превалирует материальная дисперсия, а модовая и волноводная дисперсия начинает проявляться при высоких скоростях передачи и расстоянии между ретрансляторами в несколько сот километров.

Представим свет, распространяющийся в одномодовом волокне, в виде суммы двух ортогональных поляризационных мод. Возбужденные быстрая и медленная поляризационные моды распространяются вдоль волокна, не обмениваясь при этом мощностью. Это приводит, как видно из рис. 11.8, к появлению

275

разности фазовых запаздываний поляризационных мод ∆τ и, соответственно, к уширению импульсов.

Рис. 11.8. Уширение импульсов в поляризованном волокне

Началом современного этапа разработки волоконно-опти- ческих систем связи принято считать 1970 год, когда впервые были изготовлены ВС из кварцевого стекла с потерями порядка 20 дБ/км. Первая волоконно-оптическая система связи была создана в 1970 году, а уже к 1979 году системы, работающие в диапазоне длин волн 0,82–0,85 мкм, прошли стадию экспериментальных исследований и начали вводиться в эксплуатацию на междугородных и крупных городских магистралях. На этих длинах волн потери в световодах уменьшились до 2–3 дБ/км. Позднее оказалось, что диапазоны (окна) около 1,3 и 1,5 мкм

встеклянных волноводах обладают большими преимуществами. На длине волны 1,3 мкм хроматическая дисперсия кварцевых стекол, определяющая максимальную скорость передачи информации, вообще отсутствует. При дальнейших исследованиях выяснилось, что абсолютный минимум оптических потерь лежит на длине волны 1,5 мкм. И постепенно, особенно для очень длинных линий, межконтинентальных, системы связи стали конструироваться именно на эту длину волны, позволяющую передавать информациюнабольшиерасстояния без ретрансляторов.

Спектральная область современных кварцевых световодов,

вкоторой возможна передача оптических сигналов с относительно низкими потерями (до 0,2 дБ/км), очень широка (рис. 11.9). Сейчас же в основном используются только два участка спектра:

276

в районе 1,3 и 1,5 мкм. Возможность использования всей этой области (и, соответственно, существенного увеличения пропускной способности) связана с решением проблемы широкополосного усиления в ближайшей перспективе.

Рис. 11.9. Спектр потерь современных волоконных световодов на основе кварцевого стекла и прогноз расширения области для передачи информации в 2015 и 2025 гг. Внастоящеевремя дляпередачиинформациииспользуетсясравнительноузкая спектральнаяобласть1530–1610 нм

Кварцевое стекло является по уровню прочности, стабильности, распространенности в природе очень хорошим материалом. Достигнутые в кварцевых волокнах потери соизмеримы с потерями в области стыковки, изгиба и других деформаций при монтаже волокон. Более низкие потери порядка одной сотой дБ/км можно получить во фторидных стеклах, но технология изготовления этих стекол крайнесложна.

Принципиальным преимуществом ОВ при передаче информации является не только большая широкополосность при низких оптических потерях, но и высокая скорость передачи информации. Медные провода в электрических линиях связи позволяют передавать информацию со скоростью до 2–10 Мбит/с. При передаче информации со скоростью 10 Гбит/с электроника уже не работает. В отличие от электрических линий связи, где потери зави-

277

сят от частоты передаваемых сигналов, в оптических волокнах потери не зависят от скорости передачи данных. Поэтому при низкой скорости передачи предельно допустимое расстояние между ретрансляторами ограничивается потерями в волокнах, а при высоких скоростях – дисперсией.

В волоконных линиях дальней связи, построенных в России, скорость передачи, как правило, не превышает 2,5 Гбит/с, без использования оптических усилителей. Поэтому в них расстояние между ретрансляторами (~100 км) ограничивается потерями в волокне. В этих линиях используются стандартные одномодовые волокна. Потери в лучших промышленных образцах таких волокон на длине волны 1550 нм составляют 0,18...0,19 дБ/км.

В большинстве зарубежных линий дальней связи используются оптические усилители, и в этих линиях расстояние между ретрансляторами уже не лимитируется потерями в волокнах. Так, в наземных линиях связи это расстояние может достигать 1000 км, в подводных линиях – и 10 000 км. Скорость передачи данных в большинстве таких линий составляет до 40 Гбит/с.

По одному волокну можно передавать гигантское количество информации – около 1 Тбит/с. Но на одной длине волны передавать потоки более 10 Гбит/с практически нецелесообразно, оказываются существенными ограничения, возникающие изза дисперсии оптических волокон. Значительно проще передавать 2,5 Гбит/с на одной длине волны, но использовать большое число несущих частот (длин волн). Реально используется около ста длин волн. В одном из экспериментов вводили 132 длины волны в световод и передавали по 20 Гбит/с на каждой, то есть скорость передачи информации получалось более 2 Тбит/с. Реа-

лизация технологии спектрального уплотнения представлена на рис. 11.10. На длинных морских линиях начали использовать усилители, накачиваемые излучением мощного эрбиевого лазера. Оптические усилители – это очень важный компонент для спектрального уплотнения каналов, поскольку они пропускают и усиливают сразу все используемые длины волн без преобразования в электронную форму.

278

оболочка

Рис. 11.11. Подводный оптический кабель связи с однослойным броневым покровом: 1 – силовой элемент; 2 – ОВ; 3 – алюминиевая трубка; 4 – стальная броня; 5 – медное покрытие; 6 – полиэтиленовая

Рис. 11.10. Принцип работы системы связи со спектральным уплотнением по длинам волн: 1 – мультиплексор; 2 – оптический усилитель мощности; 3 – линейные оптические усилители;

4 – оптический предусилитель; 5 – демультиплексор

На рис. 11.11 представлен один из вариантов оптического кабеля связи, содержащего несколько ОВ.

Системы связи, имеющие такие огромные скорости передачи информации, до недавнего времени оставались недогруженными. Складывалось впечатление, что полоса пропускания волоконных световодов бесконечна и насыщение пропускной способности наступит нескоро. Однако в последние годы глобальный поток информации начал резко возрастать. Этот, на первый взгляд, несколько неожиданный результат объясняется, во-первых, растущим объёмом услуг, предоставляемым в настоящее время Интернетом, во-вторых, низкой стоимостью производства и установки волоконно-оптического

телекоммуникационного оборудования. Эти два обстоятельства привели к тому, что массовое распространение получил широкополосный (волоконный) доступ населения к информационным услугам, то есть к Интернету, причём распространение этой услуги в последнее время приобрело взрывной характер (рис. 11.12).

279

Рис. 11.12. Число потребителей услуги «Волоконный световод в каждый дом» в 2004–2008 гг.

Среди стран – потребителей услуги «Волоконный световод в каждый дом» в настоящее время всех опережает Япония, в которой число подписчиков этой услуги достигло 15 млн при численности населения Японии 128 млн человек.

В связи с прогнозом увеличения глобального потока информации пропускная способность трансокеанических волоконнооптических систем связи должна обеспечивать ее передачу со скоростью около 100 Тбит/с к 2025 г. Достижение указанных скоростей передачи информации возможно за счёт увеличения числа спектральных каналов в одном световоде. Однако рост числа каналов и расширение спектральной области, где оптические потери световодов больше (см. рис. 11.9), приводят к увеличению мощности сигналов, вводимых в волоконный световод. А это с неизбежностью влечёт за собой нелинейное взаимодействие каналов. Разработка волоконно-оптических систем связи нового поколения потребует проведенияобширных фундаментальных исследований.

280