ВОЛС-Федоров / ВОЛС _Юдин, 2005_

максимальным уровнем, а в бите, соответствующем «1», применяется обратная последовательность: «max» →«min». В модифицированном коде Bi-Phase-M передача каждого очередного бита сопровождается изменением уровня сигнала, но, если новый бит соответствует «0», то уровень сигнала сохраняется на протяжении всего бита; если же новый бит соответствует «1», то по прошествии половины его длительности уровень сигнала изменяется на противоположный. Оба кода («Манчестер», Bi- Phase-M) – двухсимвольные. В коде Миллера биты передаются одним символом. Если бит соответствует «1», то в середине периода уровень сигнала изменяется на противоположный. Когда же надо передать «0», то в начале периода уровень изменяется, если «0» следует за «0»; если перед «0» передавалась «1», то в начале периода уровень не изменяется. При любой ситуации уровень сигнала в течение «нулевого» бита сохраняется.

Когда в оптической линии связи используются модуляционные коды, различают скорости передачи данных (бит/с) и передачи символов (Бод). В односимвольных кодах эти скорости одинаковы, для двухсимвольных вторая (в бодах) вдвое превышает первую (в бит/с). Характеризуя скоростные качества ВОЛС, следует указывать скорость передачи символов.

данные

0

1

0

0

1

1

0

0

0

1

а

импульсы

период бита

б

таймера

NRZ

в

RZ

г

код

д

«Манчестер»

Bi-Phase-M

е

код

ж

Миллера

Рис. 2.36

3. ОПТИЧЕСКИЕ СВЕТОВОДЫ И КАБЕЛИ

3.1. Принцип действия оптического диэлектрического волновода

Световод является диэлектрической направляющей системой для волн оптического диапазона. Конструкция световода не нуждается в металлических отражающих стенках, как этого требуют волноводы СВЧ диапазона. Направляющий эффект в световоде достигается вследствие выполнения на границе раздела его с воздухом или другим окружающим внешним диэлектрическим материалом условия полного внутреннего отражения для наклонно падающих на эту границу оптических волн. В простейшем случае световод устроен следующим образом (рис. 3.1).

				Сердцевина		световода,
	А	n2		имеющая	форму	цилиндра
			b	радиусом a (в интегральных
		a
	ΘКР	n1	z	оптических световодах – тон-
				кой пленки толщиной а), из-
	В
				готовлена из прозрачного ди-
	Рис. 3.1			электрика с показателем пре-
				ломления n1 и окружена дру-
	гим прозрачным диэлектриком (оболочкой) – цилиндрической
	трубкой с внешним радиусом b, выполненной из материала с
	показателем преломления n2 < n1. Если световой луч, находя-
	щийся в осевой плоскости, падает на границу раздела (точка А)
	под углом	Θ≥ΘКР =arcsin(n2 n1),				(3.1)

он испытывает полное отражение, возвращается в сердцевину и, достигнув точки В, вновь полностью отражается. Такой луч не имеет возможности, преломившись на границе раздела, выйти в оболочку и, поэтому, оказавшись захваченным сердцевиной, направляется ею вдоль оси. Захваченный луч повторяет все изгибы световода, если радиус изгиба не слишком мал и условие (3.1) не нарушается. Будучи промодулированным, луч переносит по световоду информацию.

40

41

Качество световода и область его применения оценивается по следующим характеристикам.

3.2. Важнейшие характеристики световода

3.2.1. Числовая апертура

Числовая апертура световода определяет тот конус света, который захватывается сердцевиной, если все лучи конуса располагаются в осевой плоскости и, падая на торцевую поверхность световода, попадают в осевую точку О (рис. 3.2).

	n3			n2
				n1
	O ϕ			z
αКР	КР	ΘКР	γКР=	π/2
		Рис. 3.2

Рассмотрим критический режим, при котором луч подходит к границе раздела сердцевина-оболочка под углом Θ= ΘКР и преломляется под углом γ= γКР= π/2. Из второго закона Снеллиуса:

n3 sinαКР =n1 sinϕКР =n2 sin γКР.

(3.2)

Если n3 = 1 (третья среда − атмосферный воздух), то

sinα	КР	= n2	−n2 .	(3.3)
		1	2

Таким образом, сердцевина световода захватывает и направляет все лучи внутри конуса с углом при вершине

2 α	КР	=2 arcsin n2	−n2 .	(3.4)
		1	2
Величина		NA =sinαКР		(3.5)

и определяет числовую апертуру световода.

Обозначая	∆n =n1 −n2 ,		n =(n1 +n2 )	2,	(3.6)
получаем
		NA =	2 n ∆n		(3.7)
Числовая апертура определяет ряд технических парамет-
ров световода. Например, чем больше каждый из показателей
преломления n1 и n2, а также различие между ними (∆n), тем
более широкий конус света (3.4) захватывает сердцевина. С дру-
гой стороны, от числовой апертуры зависит доля оптической
мощности,	перехватываемая световодом. На рис. 3.3				показан
активный			ламбертов	оптический	источ-
		n2	ник (с диаграммой направлен-
p-n-слой			ности излучения F(φ) = cosφ), за-
p		n1
	2ϕКР		крепленный на торцевой поверх-
n		F(ϕ)	ности световода. Выходная мощ-
			ность источника составляет P0.
			Перехватываемая светово-
Рис. 3.3			дом мощность может быть оп-
			ределена как

P = P NA2	=2 P n ∆n.	(3.8)
0	0

Видно, что и здесь для увеличения вводимой в световод мощности следует повышать числовую апертуру (n и ∆n).

В технике сверхвысоких частот полые металлические световоды эксплуатируются обычно в режиме распространения одной моды (одного типа волны). Для световода одномодовый режим возможен, если выполняется нижеприведенное условие для безразмерного частотного параметра υ:

υ=(2π a λ) NA <2.405.

(3.9)

Чем меньше a, n, ∆n (эти требования, прямо обратны вытекающим из (3.4), (3.8)), тем легче достигается режим одной моды. В противном случае световод будет маломодовым (одновременно распространяется несколько десятков мод) или многомодовым (по световоду бегут сотни типов волн одно-

42

43

временно), и в этом режиме полное количество распространяющихся мод определяется выражением:

N ~ υ2 2 =4 (π a λ)2 n ∆n

(3.10)

От числовой апертуры зависят также потери на изгибах световода, где вследствие нарушения условия полного внутреннего отражения часть оптической мощности перетекает в оболочку. Теоретически потери на криволинейном участке световода с радиусом изгиба R описываются экспоненциальным законом exp(−R/RКР), где

R =a NA2	=a (2 n ∆n).	(3.11)
КР

Как видно, требования к величине NA с целью улучшения того или иного параметра световода могут быть прямо противоположными, и конкретное значение числовой апертуры устанавливается на основе компромисса.

3.2.2. Профиль показателя преломления

Весьма важной характеристикой световода является профиль показателя преломления в поперечном сечении. Если при переходе от оболочки к сердцевине показатель преломления изменяется скачком, световод называют ступенчатым. Если же при пересечении границы раздела оболочка-сердцевина скачка показателя преломления нет, но внутри сердцевины последний при перемещении к оси плавно изменяется на интервале a ≥r ≥0, то световод называют градиентным. Разновидности ступенчатых световодовпоказанынарис. 3.4,а÷в, градиентных– на рис. 3.4,г,д.

Как отмечалось выше, по составу направляемых оптических волн световоды делятся на одномодовые, маломодовые и многомодовые. Одномодовый световод – самый дорогой и применяется в высокоскоростных ВОЛС (например, в межконтинентальных). Большинство же других составляют маломодовые ВОЛС. Все распространяющиеся моды переносят одну и ту же информацию. Но каждая мода движется по своей траектории. Длины траекторий разные, и затрачиваемое на прохож-

n0 n2

n1

n

r

0

а n0 n2

n1(r)

n

0

г

n0 n2n3

n1

n

0

б

r

Рис. 3.4

r

n0 n2

n1(r)

n

0

д

n4 nn0

3

n2

n1

n

r

0

в

r

дение световода время у каждой моды − свое. Появляется временная дисперсия. Поэтому к выходу из световода (т.е. на вход оптического приемника) последовательность информационных кодовых символов (например, рис. 2.36,в÷ж) приходит многократно (по числу распространяющихся мод) и всякий раз с новой временной задержкой. Складываясь сама с собой, кодовая последовательность из-за временных сдвигов искажается серьезно затрудняет восстановление на приемной стороне передаваемого сигнала.

На рис. 3.5 изображены траектории четырех мод в ступенчатом световоде. Первой на вход приемника прибудет осевая

44

45

мода, она затратит на расп-				плоскость	плоскость
ространение	по	световоду		расположения	расположения
				передатчика	приемника
длиной l минимальное время:					n2
tmin =l n1		c.	(3.12)		n1

Дольше всех в пути будет		Рис. 3.5
мода, направленная под уг-
лом φКР к оси световода:
tmax =l n1 (c cosϕКР) =tmin n1 n2 .			(3.13)
Разница времен прохождения равна
∆t =tmax −tmin =l	c n1	n2 ∆n.	(3.14)
В градиентном световоде вследствие радиальной неодно-
родности показателя преломления в сердцевине траектории
движения мод выглядят иначе, чем в ступенчатом световоде
(рис. 3.6). Из-за рефракции
траектории мод носят сгла-
женный характер, хотя по-	n1
прежнему различаются по
протяженности. Однако чем
дальше оптическая волна от-		Рис. 3.6
клоняется от оси световода,
тем быстрее она движется вдоль своей траектории (так как n1
уменьшается), а при приближении к оси движение ее замедля-
ется. Это уменьшает разницу времен прохождения. Доказано,
что, если показателю преломления сердцевины n1(r) придать
параболический закон изменения:
n (r) =n(0) [1−∆ (r a)2 ],			(3.15)
1
где n(0) – показатель преломления на оси световода (r = 0), n(a) –
он же на границе с оболочкой (r = a),		∆=1−n(a) n(0),	то для
двух групп меридиональных лучей временная дисперсия будет
отсутствовать (рис. 3.7). Оптические лучи этих групп перио-
дически фокусируются и в один момент пересекают ось свето-
вода, следовательно, по теореме Ферма они затратят на прохож-

плоскость плоскость расположения расположения

передатчика приемника

n2

а

n1(r)

дение световода одинаковое время. Если усложнить профиль n1(r) до функции гиперболического секанса

	n2	n1(r) =n(0)×		(3.16)
	б	×sech(a r),
		то для всех меридио-
	n1(r)
	Рис. 3.7	нальных	лучей	вре-
		менная дисперсия ис-
		чезнет.
	Уменьшение временного разброса ∆t = tmax – tmin положи-
	тельно влияет на увеличение скорости передачи цифровой ин-
	формации по световоду, так как сокращается временное уши-
	рение (размывание) импульсов кодовых последовательностей.

3.2.3. Дисперсия

Дисперсия относится к числу наиболее важных недостатков световода. Отрицательное действие дисперсии заключается в уширении (временном растяжении) оптических импульсов, вследствие чего импульс расползается, и часть его мощности выходит за пределы отведенного импульсу битового интервала. Если дисперсионное уширение велико, то заметная мощность, сосредоточенная в начале световода на временном интервале, соответствующем «1», может к концу световода переместиться в соседний битовый интервал, соответствующий, например, «0». В результате приемник вынесет ошибочное решение, приняв

«0» за «1».

Различают несколько видов дисперсии в световодах: межмодовую (или просто − модовую), материальную, волноводную, поляризационную.

О межмодовой дисперсии уже говорилось выше. Она проявляется при нарушении неравенства (3.9); тогда передача информации осуществляется несколькими модами одновремен-

46

47

но. Мощность каждой моды переносится по своей траектории, не совпадающей с траекториями других мод. Наименьшее время на прохождение по световоду затрачивает основная мода (ее траектория – самая короткая). Последней придет на приемную сторону и доставит потребителю информацию мода высшего порядка, для которой еще выполняются условия полного внутреннего отражения. Уширение, вызванное межмодовой дисперсией, самое значительное по сравнению с другими видами дисперсии (обычно оно составляет несколько десятков наносекунд на один километр пройденного по световоду пути и рассчитывается по формуле (3.14)). Межмодовая дисперсия исчезает, если передачу информации по световоду перевести в режим распространения одной моды.

Материальная дисперсия в отличие от межмодовой полностью неустранима. Фундаментальная причина материальной дисперсии кроется в следующем. В гармоническом поле оптической волны

Ex (z,t) = Ex m exp[− j (ω t −k z)]

(3.17)

каждая молекула среды распространения (в нашем случае – материала сердцевины световода) поляризуется, становясь гармоническим осциллятором. В твердой среде плотность упаковки молекул (атомов) велика, поэтому каждая частица среды, будучи упруго связанной с окружающими ее частицами, испытывает воздействие суммарного поля последних и поля оптической волны. В результате относительная диэлектрическая проницаемость среды даже при столь упрощенном рассмотрении носит сложный характер

ε=1+N (ε0 ψ−N 3),

(3.18)

где N – количество молекул (атомов) в единице объема; ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; ψ – поляризуемость, Ф/м.

Схематично зависимость от частоты поля средней молекулярной поляризуемости (а, следовательно, и средней объемной поляризации среды) имеет вид, приведенный на рис. 3.8.

поляризуемость										Колебатель-
										ное движение элек-
		ориентационный
		резонанс								трического заряда в
										среде под действием
				атомный
				резонанс						поля распространя-
										ющейся	волны и
средняя								электронный
									частота	молекул	(атомов)
								резонанс		полей окружающих
	СВЧ		ИК		УФ					описывается урав-
			Рис. 3.8							нением
	&&		&		2				x =e Ex m exp(− j ω t);		(3.19)
	m x +m γK x +m ω0K

здесь e, m – заряд и масса электрона; γК – коэффициент затухания, вызванного столкновениями, радиационным излучением и др.; ω0К – резонансная частота собственных колебаний заряда (k=1,2,…). Решение уравнения (3.19) известно:

x(t) =	e		Ex m exp(− j ω t)				.	(3.20)
	m
			ω2	−ω2 − j γ	K	ω
			0K

И тогда относительная диэлектрическая проницаемость среды (3.18) в силу того, что

	e x			e2	m
ψ=	m	=						(3.21)
			ω2	−ω2	− j γ		ω
	Ex m					K
			0K

принимает следующую частотную зависимость

ε=1+		N e2 /(m ε0 )						.	(3.22)
	2	2			2
&	ω	−ω − j γ		ω−N e		/(3 m ε	)
			K
	0K					0

Отсюда находится комплексный показатель преломления среды:

&2	&	′ 2	′′ 2	′	′′	(3.23)
n	=ε=[(n )		−(n )	]+ j2n	n .

Частотная зависимость действительной (n') и мнимой (n") частей комплексного показателя преломления показана на рис. 3.9.

48

49

В качестве примера

n

рабочий

рассмотрим чистый кварц

n'

диапазон

световода

(SiO2) – материал, являю-

щийся основой изготов-

ления световодов. В диа-

СВЧ

ИК

пазоне длин волн λ=0.2÷

n"

УФ

f

÷4 мкм, в который попа-

дает излучение всех при-

1011 1012 1013

1014 1015 1016 1017 Гц

меняемых в ВОЛС полу-

Рис. 3.9

проводниковых лазеров и

СИД, оптические потери

в кварце неощутимо малы (n"≈0), а n' хорошо аппроксимируется теоретической формулой, учитывающей три резонанса (один в ИК и два в УФ областях спектра):

′	2		1.6961663 λ2			0.4079425 λ2			1.8974794 λ2
(n )		=1+			+			+			(3.24)
			2	2		2	2		2	2
			λ −0.0684043			λ −0.1162414			λ −9.896161

Говоря одисперсии применительно к проблеме распространения оптического излучения в световодах, необходимо отметить следующее. В оптике под дисперсией понимается величина dn/dλ. В световоде временнóе уширение и искажение оптических импульсов связано не с dn/dλ, а с другим параметром − λ d²n/dλ². Последний и называют часто дисперсией материала.

Так как групповая скорость определяется как

				vГР =dω dk ,							(3.25)
	(k = 2π/λ), то в среде с дисперсией
				ω			1		ω
	v	=v	1−		dvФ =1			−		dvФ .	(3.26)
	ГР	Ф		vФ				2
					dω	vФ			vФ	dω
	Введем групповой показатель преломления
					nГР =c vГР.						(3.27)

Тогда в ступенчатом световоде с дисперсией временная задержка (3.14) равна

∆t

ГР

=

l

n1ГР

∆n.

(3.28)

c

n

2

Но

n

=

c

=n +ω dn1 =n

−λ dn1

(3.29)

v

1ГР

ГР1

1

dω

1

dλ

и тогда

n −λ dn1

v

=

c

=с

,

(3.30)

ГР1

n

1

dλ

1ГР

а время прохождения импульсом световода длиной l равно

l

dn1

(3.31)

t

=

n1 −λ

dλ

.

c

Если оптический источник генерирует излучение со спектральной шириной ∆λ (рис. 2.23) около средней длины волны λ, то временное уширение на выходе световода составит величину

	∆t =∆λ dt dλ				(3.32)
	и с учетом (3.31)		∆λ d 2n1
	∆t =−	l		λ.	(3.33)
		c
			dλ2

Следовательно, временная продолжительность светового импульса на выходе световода увеличится на

∆t = l

∆λ

λ2

d 2n

dλ2

= l

∆λ

λ d 2n dλ2

.

(3.34)

c

λ

1

c

1

Модуль, входящий в последнее равенство, вместе со ско-

ростью света

D =(λ c) (d 2n dλ2 )

(3.35)

M

1

называют материальной дисперсией среды. На рис. 3.10 показана зависимость абсолютного значения параметра DМ от длины волны для чистого кварца и кварца с примесями. Примечательно, что у чистого и примесного кварца материальная дисперсия в небольшом диапазоне изменений λ вблизи значения λМ ≈1.3 мкм равна или очень близка нулю (λМ называют дли-

50

51

ной волны, соответствующей ну-

DM, пс/(кмнм)

13.5% Ge02

левой дисперсии материала).

Расчеты показывают, что на дли-

60

Si02

не волны излучения GaAs-источ-

40

13.3% B203

ника в чистом кварце погонное

λM

увеличение ширины импульса из-

20

λ

лучения (∆t/l) из-за материаль-

ной дисперсии составляет

при-

0

0.8 1 1.2

1.4 мкм

мерно 2.5 нс/км, если в качестве

−20

источника

используется

СИД

(∆λ 30 нм),

и 0.25 нс/км – при

−40

использовании лазера (∆λ 3 нм).

Рис. 3.10

Для сравнения: увеличение ши-

рины светового импульса ∆t/l, вызванное межмодовой дисперсией, равняется ≈34 нс/км в ступенчатом световоде с оболочкой и возрастает до ≈2500 нс/км при удалении оболочки.

Волноводная дисперсия вызвана тем, что оптическая волна, направляясь сердцевиной световода, даже при выполнении условия полного внутреннего отражения выходит в оболочку, проходит там малый участок своей траектории и вновь возвращается в сердцевину (рис. 3.5). К дисперсии приводит неравенство скорости света в сердцевине и оболочке. Волноводная дисперсия значительно слабее межмодовой, но в одномодовом световоде она играет решающую роль.

Интересно, что в одномодовом световоде с параболическим профилем показателя преломления сердцевины волноводная дисперсия на длине волны λ= λМ положительна. Если ввести в световод оптическое излучение с λ> λМ, то волноводная дисперсия может быть скомпенсирована отрицательной материальной дисперсией (рис. 3.10). На более коротких волнах (λ≈ 0.8...0.9 мкм) волноводная дисперсия приобретает отрицательный знак при введении второй промежуточной оболочки (рис. 3.4,б). Поэтому отрицательная волноводная дисперсия может компенсировать положительную дисперсию материала.

Поляризационная дисперсия. Она обусловлена неидеальностью световода, под которой понимается следующее. В идеальном световоде с точной осевой симметрией геометрии и за-

висимостей n1(r), n2(r) в поперечном сечении и с сохранением этих свойств вдоль оси даже в одномодовом режиме распространяются две волны. Они совпадают по всем параметрам, кроме поляризаций: их поляризации ортогональны. В реальном световоде при его изготовлении и прокладке всегда имеются отклонения от соосности сердцевины и оболочки, отосевой симметрии профиля показателей преломления n1(r) и n2(r), от неизменности геометрических и оптических характеристик вдоль оси. В результате появляются так называемые оси быстрого и медленного распространения, при ориентации векторов поляризации ортогонально поляризованных волн вдоль этих осей одна из волн распространяется быстрей другой. Статистическое уширение оптических импульсов возникает в результате случайного изменения относительной ориентации «быстрой» и «медленной» осей на различных (подлине) участках световода.

Если в световоде одновременно проявляется действие нескольких видов дисперсии, суммарный эффект уширения при условии независимости разных видов дисперсии и гауссовой формы импульсов, генерируемых оптическим источником, находится по правилу

∆t = ∆t02 +∆tМАТ2 +∆tВОЛН2 +∆tМЕЖМОД2

,

(3.36)

где ∆t0 – начальная длительность импульса.

3.2.4. Ширина полосы пропускания и скорость передачи информации

Дисперсионное «расплывание» вдоль оси времени оптических импульсов, распространяющихся по световоду, заставляет увеличивать длительность битового интервала во избежание ошибки приемника при оценке информационных бит. Это означает, что дисперсия отрицательно сказывается на важнейшем параметре ВОЛС – скорости передачи информации. Поскольку уширение, вызванное дисперсией, линейно растет с увеличением длины световода, произведение

B l =const (∆λ D )−1.	(3.37)
M

52

53

В последнем выражении

B ≈1 ∆t, бит с

(3.38)

− скорость цифровой передачи информации по световоду. Если передача осуществляется с использованием аналоговой модуляции, пропускная способность ВОЛС оценивается полосой пропускания

2∆f =1 ∆t, Гц	(3.39)
и тогда
2∆f l =const (∆λ D )−1.	(3.40)
M

Нередко производители ВОЛС вместо указания величины дисперсии, приводят параметр (3.37). Графически указанные зависимости имеют вид гиперболы (рис. 3.11). Это означает, что если информация передается с некоторой скоростью на расстояние l1, то увеличить дальность связи до l2 можно только, понизив величину скорости:

B1 l1 =B2 l2.

B
B1
B2
0 l1	l2	l

Рис. 3.11

(3.41)

Для ориентировочных расчетов одномодовых световодов полезно использовать формулу

B ≈2∆f ≈0.187 (DM ∆λ l),

(3.42)

причем DM следует подставлять в с/(км нм), ∆λ − в нм, l – в км.

3.2.5. Ослабление оптического излучения

Амплитуда оптического импульса по мере распространения по световоду от передатчика к приемнику уменьшается. Иными словами, число фотонов, выводимых из световода на выходе меньше количества фотонов, введенных на входе, и причин тому – две. Первая причина – рассеяние, вторая – поглощение.

При рассеянии световые фотоны не исчезают: как струя воды разбрызгивается в разные стороны, встречая препятствия, так и поток фотонов рассеивается, попадая на неоднородности (микротрещины, пузырьки воздуха, локальные увеличения или уменьшения показателя преломления, крупные молекулы и т.д.). При рассеянии не происходит превращения энергии из одной формы в другую (свет остаётся светом), но количество фотонов, движущихся в направлении к приёмнику, уменьшается. Когда мощность оптического излучения невелика, рассеяние носит линейный характер (его называют упругим рэлеевским рассеянием). Упругое рассеяние проявляется на неоднородностях с размером rНЕОД > λ. Рэлей показал, что интенсивность упругого рассеяния пропорциональна λ−4. В световодах ослабление по причине рассеяния наблюдается в области длин волн λ< 1.5 мкм. На участке спектра λ= 0.7...1.5 мкм именно рассеяние определяет теоретический предел ослабления излучения в световоде, равный: 2.5 дБ при λ= 0.82 мкм,

0.24дБ при λ= 1.3 мкм, 0.012 дБ при λ= 1.55 мкм.

Вдлинноволновой части спектра ослабление вызвано поглощением. Поглощение сопровождается исчезновением фотонов и превращением энергии световых квантов в тепло. В

оптическом диапазоне волн на участке спектра вблизи λ 1 мкм фундаментальное поглощение обусловлено протяжёнными «хвостами» ближайших ИК и УФ резонансов (рис. 3.9, зависимость n"( f )). Резонансы поглощения, вызванные наиболее часто встречающимися в кварце примесями, наблюдаются на

следующих длинах волн (рис. 3.12): S = 0 на λРЕЗ≈9 мкм, Ge – 0 на λРЕЗ≈11 мкм, P – 0 на8 мкм, B – 0 на 7.3 мкм.

					Для снижения потерь
n"	P −0		S = 0		на фундаментальное погло-
					щение желательно, чтобы
B −0				Ge −0	ИК и УФ резонансы отсто-
				λ	яли друг от друга как можно
					дальше на оси длин волн.
5	7	9	11	мкм	Поэтому в первую очередь
	Рис. 3.12				следует уменьшать концен-

54

55

трацию окисла бора. Наиболее глубокий провал на кривой n"(λ) приходится на волны λ = 1.3...1.5 мкм (рис. 3.9). В эту область попадают резонансы поглощения паров воды и переходных металлов (Cr,Va,Mg,Fe,Co,Ni) . Их присутствие в кварце

особенно нежелательно, и при изготовлении световодов контролируют концентрацию примесей перечисленных металлов так, чтобы она составляла не более 10−9. На рис. 3.13 показана зависимость потерь оптического излучения в кварцевом световоде от длины волны для разных примесных окислов. Левые ветви кривых вызваны рэлеевским рассеянием, правые − ИКрезонансами поглощения, выбросы между ними соответствуют поглощению света остаточными парами воды.

Помимо	фун-	потери, дБ/км
даментальных	при-
чин ослабления оп-		20
тического излучения		10
						GeO2	−B2O3
в световоде	неиз-	5
бежно на практике		2
проявляют себя гео-				P2O5					GeO2
метрические и кон-		1
								λ,		мкм
структивные факто-		0.5
ры ослабления. Ра-		0.4 0.6 0.8 1.0					1.2 1.4 1.6 1.8
нее в разделе 3.1.1.						Рис. 3.13
отмечалось, что по-

тери оптической мощности могут возникать в местах искривления световода в результате вытекания оптической волны из сердцевины в оболочку. Допустимый изгиб оси световода не должен превышать критическое значение (3.11). На практике минимальный радиус кривизны оси световода принимается равным пяти его диаметрам. Изгибы опасны ещё и тем, что могут приводить к появлению микротрещин как в оболочке, так и в сердцевине. Для избежания этого принимается RИЗГ min = 500b.

Другой фактор потерь, всегда встречающийся в жизни, обусловлен неточностью технического исполнения узлов вво- да-вывода оптического излучения и узлов стыковки линейных отрезков световодов. На рис. 3.14 приведены кривые потерь при вводе в многомодовый световод излучения СИД для трёх типов

нарушений: угловое рассогласование (рис. 3.14,а), продольное смещение (рис. 3.14,б) и поперечное смещение (рис. 3.14,в) светодиода относительно торца световода.

потери,	Θ	потери,	∆z	потери,
дБ		дБ		дБ
				∆x

			∆z,			∆x,
0	Θ,° 0		мкм 0			мкм
а			б			в
			Рис. 3.14

Как видно, дефекты третьего типа наиболее опасны. Аналогично выглядят кривые потерь при нарушении

идеальных требований стыковки световодов. В разъёмных стыках наибольшие потери, как и в узлах ввода, вызывает поперечное несовмещение осей световодов, причём на величину потерь влияют разница размеров сердцевины и оболочки, неконцентричность и эллиптичность сердцевины, различие в профилях показателя преломления и другие. Величина потерь в разъёмных узлах стыка может изменяться от 0 дБ до 8 дБ, типичное значение − 2...4 дБ. В неразъёмном (например, сварном) соединении потери обычно около 0.5 дБ.

3.2.6. Оптимальная длина волны для ВОЛС

Впредыдущих разделах показано, что минимальное дисперсионное уширение оптических импульсов (а, значит, максимальная скорость передачи информации) и минимальное ослабление сигналов (и, следовательно, наибольшая дальность связи) достигаются на разных длинах волн оптического излучения. Поэтому с практической точки зрения важен вопрос: как правильно выбрать рабочую длину волны ВОЛС?

Всветоводах с малым уровнем потерь минимумы ослабления наблюдаются на длинах волн 0.9 мкм, 1.0 мкм, 1.2 мкм,

56

57

1.3 мкм и 1.55 мкм. Если в процессе изготовления световода удаётся избавиться от примеси паров воды в исходном материале сердцевины и оболочки, то наиболее глубокие провалы на зависимости «потери - длина волны» останутся на λ1 = 1.3 мкм и λ2 = 1.55 мкм. Вывод о выборе оптимальной длины волны сделаем, сопоставляя результаты численных расчётов конкретных примеров. Рассчитаем зависимость расстояния между ретрансляторами (LРЕТР) от скорости передачи данных при следующих исходных данных:

тип световода − многомодовый (ступенчатый, градиентный), одномодовый;

длина волны − 0.9 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм; источник излучения − светодиод, лазер;

межмодовая дисперсия − 10 нс/км (ступенчатый световод), 0.5 нс/км (градиентный), 0 нс/км (одномодовый);

материальная дисперсия – 70 пс/(км нм) (для λ= 0.9 мкм), 2 пс/(км нм) (для λ= 1.3 мкм), 20 пс/(км нм) (для λ= 1.55 мкм); потери на укладку и сращивание световодов – 2 дБ/км (для

λ= 0.9 мкм), 1.0 дБ/км (λ= 1.3 мкм), 0.5 дБ/км (λ= 1.55 мкм);

потери в разъёмах и вследствие старения – 10 дБ; минимально допустимая мощность на фотодетекторе –

0.1 нВт/(Мбит/c).

На рис. 3.15 графически представлены результаты расчётов для ВОЛС с СИД в качестве источника излучения. СИД передаёт в световод 50 мкВт (−13 дБм) оптической мощности. Спектральная ширина излучения составляет ∆λ/λ= 0.04.

Оцифрованными стрелками отмечены скорости передачи данных для европейского стандарта иерархии аппаратуры временного объединения цифровых сигналов. Нижняя кривая (позиция 1) относится к кварцевому световоду с оболочкой из полимера; верхняя группа из трех кривых (3) − к градиентному световоду; средняя кривая (2) − к ступенчатому световоду. Видно, что при низкой скорости передачи информации (В< 10 Мбит/c; первый и второй уровни иерархии аппаратуры) предпочтительна λ= 1.55 мкм (в градиентном световоде), позволяющая разносить соседние ретрансляторы на расстояние до 100 км.

58

LРЕТР, км										Но при	повышении
100					1.55мкм					скорости передачи ин-
						1.3мкм				формации В до зна-
10						0.9мкм				чений, соответствую-
		2					3			щих аппаратуре 4-го
										и 5-го уровней иерар-
1										хии, оптимальной ста-
		1								новится	λ= 1.3	мкм
								B, Мбитс
0.1										(градиентный		свето-
		2	8	34		140	565
										вод). В соответствии с
0.1		1		10		100		1000
			Рис. 3.15							зависимостью		(3.41)
										(рис. 3.11) LРЕТР при

этом уменьшается до единиц километров. На пологих участках кривых ограничение связано с потерями, на наклонных − с межмодовой дисперсией.

На рис. 3.16 аналогичные зависимости приведены для ВОЛС, в которой источником излучения служил лазер, вводящий в световод излучение мощностью 1 мВт (0 дБм) со спектральным качеством ∆λ/λ= 0.004. Качественный вид зависимостей похож на демонстрируемые рис. 3.15. Пониженная спектральная ширина излучения, свойственная лазерному источнику, сказалась на более высоком расположении кривых, относящихся к ступенчатому и градиентному световодам. Малое ∆λ/λ и, следовательно, ослабленное дисперсионное уширение привели к тому, что для всех трех длин волн кривые, соответствующие градиент-

LРЕТР, км								ному	световоду, сли-
								ваются в одну. Выше
					1.55мкм
100								нее	располагаются
					1.3мкм			кривые для			одномо-
10		0.9мкм					4	дового световода (по-
			2		3			зиция 4),		и	наиболь-
1								шая	дальность связи
				1				с наиболее			высокой
0.1						B, Мбит		скоростью			передачи
							с	данных		достигается,
				2 8 34	140 565
0.1			1	10	100	1000		если	в	передатчике
				Рис. 3.16				применить лазер, ра-
					59