3.1.3 Затухание и дисперсия

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

В процессе распространения оптического сигнала по волокну он постепенно теряет свою энергию. Этот эффект называется затуханием. От величины затухания зависит максимальная дальность связи между двумя приемопередатчиками. В волоконно-оптической технике связи затухание принято измерять в децибелах. Затухание в волоконных световодах обусловлено потерями на поглощении; потерями на рассеянии и кабельными потерями (рисунок 3.2). Потери на поглощении и на рассеянии вместе составляют группу собственных потерь.

Рисунок 3.2 – Основные типы потерь в оптическом волокне

Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы [17]:

. (3.6)

Потери на поглощение α_погл, состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Собственные потери на поглощение быстро растут в инфракрасной области (1мкм < λ < 100 мкм). Приλ > 1,8мкм обычное кварцевое оптическое волокно становится практически непрозрачным, что ограничивает верхнюю длину волны пропускания. Другим характерным видом потерь, является поглощение примесями в кварце – основном материале для изготовления оптоволокна. Примесные центры в зависимости от типа примеси поглощают свет на определённых, присущих каждой примеси, длинах волн. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь.

Основной причиной потерь на рассеяние α_расв волокне является так называемое рэлеевское рассеяние, которое вызывается наличием в оптическом волокне неоднородностей микроскопического масштаба. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна. Потери из-за рэлеевского рассеяния зависят от длины волны по закону λ^-4и сильней проявляются в области коротких длин волн.

Таким образом, есть два принципиально различных физических механизма, вызывающих эффект собственных потерь в волокне:

• Потери на поглощение. Связаны с преобразованием одного вида энергии в другой. Электромагнитная волна определенной длины вызывает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, что, в свою очередь, ведет к нагреву волокна. Естественно, что процесс поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина, и чем чище материал волокна.

• Потери на рассеяние. Причина снижения мощности сигнала в этом случае - означает выход части светового потока из волновода. Обусловлено это обычно неоднородностями показателя преломления материалов. Известно, что с уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают.

На рисунке 3.3 приведен общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений основных параметров для современных одномодовых и многомодовых волокон [5].

Рисунок 3.3 – Собственные потери в оптическом волокне

Кривая носит иллюстративный характер, так как для разных типов волокон и разных производителей величина потерь может различаться. В теории, лучших показателей общего затухания можно достичь на пересечении кривых поглощения и рассеивания. Реальность несколько сложнее, и связана с химическим составом среды.

Из графика следует, что работа по волоконно-оптическим кабелям эффективна не на всех длинах волн, а только в определенных участках спектра, где достигаются минимальные потери. Области минимальных потерь получили название окон прозрачности. Для кварцевых световодов практический интерес представляют три окна прозрачности, в рамках которых затухание имеет наименьшее значение: 850 нм (1-ое), 1310 нм (2-ое), 1550 нм (3-е). Постепенно с развитием технологии очистки кварцевого стекла стала доступна вся область малых потерь от 1260 нм до 1675 нм. В последнее время с развитием систем с мультиплексированием каналов по длинам волн третье и прилегающие к нему четвертое (1565…1625 нм) и пятое (1460…1530 нм) окна прозрачно­сти вызывают повышенный интерес.

Кабельные потери α_кабвозникают при строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий. Они обусловлены скруткой, деформацией и изгибами волокон, возникающих при наложении покрытий и защитных оболочек при производстве кабеля, а также в процессе его прокладки. Дополнительные кабельные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на волоконно-оптический кабель [17].

Оптический сигнал, распространяясь по волокну, не только затухает, но и искажается за счёт дисперсии различного рода. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приёме. Вследствие этого импульсы трудно отличить один от другого, а заключенная в них информация теряется.

Дисперсия – уширение импульсов – имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе t_выхи входеt_вхкабеля длиныLпо формуле [17]:

. (3.6)

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. В световоде различают четыре вида дисперсии (рисунок 3.4):

• межмодовая;

• хроматическая (материальная и волноводная);

• поляризационная.

Рисунок 3.4 – Виды дисперсии в оптическом волокне

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия τ определяется из формулы [17]:

. (3.7)

Межмодовая дисперсия τ_модсвойственна только многомодовым волокнам. Она обусловлена неидеальностью современных источников света, которые испускают волны в нескольких направлениях, и далее они проходят по разным траекториям (иначе говоря - будут иметь разные моды). Различные моды имеют различные фазовые и групповые скорости. Лучи проходят различные пути и, следовательно, достигают противоположного конца волокна в различные моменты времени.

Хроматическая дисперсия τ_хрсостоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия τ_матобусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. Если распределение плотности волокна будет неравномерным, то волны, проходящие путь по разным траекториям, будут иметь разные скорости распространения, и, соответственно, попадать в приемник в разное время. Волноводная дисперсия τ_вобусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны. Источники излучения не идеальны, и испускают волны различной длины. В кварцевом стекле более короткие волны распространяются быстрее, а следовательно достигают конца световода в разные моменты времени.

Поляризационная дисперсия τ_полвозникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине расширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц∙км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световода, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0,3 дБ) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0,85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 дБ/км и не может быть существенно улучшено.