2.2. Характеристики оптических волокон

Создание современных волоконно-оптических линий связи требует все более высокого ка­чества оптического волокна и жесткого контроля за его параметрами, каждый из которых обеспечивает те или иные функции системы. Так, для оптимизации бюджета потерь и длин регенерационных участков магистральных волоконно-оптических линий связи крайне важ­но четко контролировать коэффициент затухания. Коэффициент хроматической дисперсии определяет то предельное расстояние, на которое может передаваться оптический сигнал с заданными спектральными характеристиками при заданных требованиях к качеству переда­чи. В системах со спектральным уплотнением величина дисперсии влияет на степень прояв­ления нелинейных эффектов и связанные с этим перекрестные помехи.

Диаметр модового поля, его неконцентричность по отношению к оболочке волокна, диа­метр сердцевины волокна и ее некруглость, радиус собственной кривизны ОВ играют важную роль для минимизации потерь в местах сварных соединений и обеспечения их качества. Кро­ме того, асимметрия сердцевины вызывает появление поляризационной модовой дисперсии.

Стабильность затухания при макро- и микроизгибах, высокая механическая прочность ОВ и большие длины волокна (кабеля) позволяют оптимизировать процесс каблирования, прокладки и монтажа кабеля, а также техническое обслуживание линейных трактов. Меха­ническая прочность ОВ является основным фактором, определяющим надежность и долго­вечность оптического кабеля и линии связи.

2.2.1. Оптические и передаточные характеристики

Затухание и дисперсия — два основных параметра оптического волокна, стремление к оп­тимизации которых определило, в основном, ход развития волоконно-оптической техно­логии.

Затухание в оптическом волокне

Величина затухания в ОВ описывает уменьшение интенсивности излучения по мере его прохождения по волокну.

Затухание на длине волны между поперечными сечениями волокна 1 и 2, находящимися на расстоянии L км, определяется как [2.7]:

_{дБ (4)}

где — интенсивность импульса на входе в поперечное сечение 1, — интенсивность импульса на выходе из поперечного сечения 2.

Коэффициент затухания , или затухание на единицу длины волокна, не зависит от длины волокна и рассчитывается как:

_{дБ/км. (5)}

Оптические потери в кварцевом оптическом волокне а определяются, в основном, тре­мя факторами (рис. 2.6):

• поглощением излучения материалом ;

• рэлеевским рассеянием ;

- потерями на излучение

Полные оптические потери в общем виде можно представить как:

₍₆₎

Рис. 2.6. Спектральная зависимость оптических потерь кварцевого одномодового ОВ и составляющие ее механизмы [2.5]: 1 — спектральное поглощение кварцевого одномодового волокна с гидро­ксильными пиками на длинах волн 0,95; 1,25; 1,38 мкм; 2 — собственное по­глощение в ультрафиолетовой области спектра; 3 — собственное поглощение в инфракрасной области спектра; 4 — рэлеевское рассеяние; 5 — потери на излучение, вызванные волноводными нерегулярностями

Потери на поглощение. Состоят из собственных оптических потерь в кварцевом стекле ОВ и избыточных потерь, вызванных поглощением излучения на примесях.

Собственные оптические потери обусловлены краями основных полос фунда­ментального поглощения в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях спектра. Первая полоса обусловлена природой химической связи Si-O, а длинноволновый край по­глощения — собственными колебаниями связи Si-O и ее обертонами. На рабочей длине волны 1550 нм поглощение длинноволнового края сказывается незначительно, что обеспе­чивает предельно низкие для кварцевого ОВ потери в этой области. В области длин волн, больших 1600 нм, потери на инфракрасное поглощение доминируют.

Избыточные потери поглощения вызываются наличием поглощающих примесей, среди которых наибольшее влияние оказывают ионы гидроксила . Среди ряда полос по­глощения, причиной которых является наличие ионов в кварцевом стекле, наиболее ин­тенсивной является полоса поглощения на длине волны 1383 нм, обусловленная комбина­цией обертонов основной полосы поглощения ионов (2,73 мкм) и колебаний кремне­кислородной решетки кварцевого стекла. Эта полоса поглощения в рабочей области спектра кварцевого ОВ носит название гидроксильного пика.

Рэлеевское рассеяние. Является причиной собственных оптических потерь кварцевого стекла, которые также имеют в основе фундаментальный механизм — рассеяние излучения на флуктуациях плотности или показателя преломления (размером ), замороженных в стекле в процессе его изготовления.

Оптические потери, вызванные рэлеевским рассеянием, уменьшаются с возрастанием длины волны по закону , и именно они определяют основной вклад в потери на длине волны 1550 нм, где потери для кварцевого волокна минимальны.

Потери на излучение. Вызываются волноводными нерегулярностями, которые обуслов­лены, в основном, наличием макро- и микроизгибов ОВ и нерегулярностей геометрии ОВ с периодом менее 1 мм, когда энергия направляемых мод передается в моды излучения. Поте­ри на излучение на макро- и микроизгибах ОВ возникают при любых отклонениях положе­ния отрезка ОВ от прямолинейного и вызваны выходом некоторого количества излучения в оболочку и его потерей. Потери на излучение на макроизгибах возникают, когда ради­ус изгиба ОВ во много раз превышает диаметр его оболочки (рис. 2.7, а). В этом случае угол падения луча на границе «сердцевина-оболочка» в месте изгиба становится меньше критического угла полного внутреннего отражения , и луч выходит из сердцевины, что приводит к увеличению оптических потерь.

Рис. 2.7. Потери на излучение в оптических волокнах: а) на макроизгибах (многомодовое ОВ), б) на микроизгибах: 1 — сердцевина ОВ; 2 — оболочка ОВ; 3 — оптическое волокно; 4 — защитное полимерное покрытие, где а — диаметр сердцевины; b — диаметр оболочки; R — радиус изгиба; — критический угол

Микроизгибы вызываются случайными отклонениями ОВ от его номинального осе­вого положения, амплитуда отклонений составляет менее 3 мкм, а период — менее 1 мм. (рис. 2.7, б). Причинами микроизгибов являются деформации растяжения и сжатия ОВ при изменениях температуры, наложении оболочек, скрутке при изготовлении кабеля.

Рабочие диапазоны длин волн. В современных линиях связи, где материалом среды пе­редачи является кварцевое оптическое волокно, используются несколько рабочих диапазо­нов длин волн излучения (окон прозрачности), которые обозначены на кривой спектрально­го затухания кварцевого ОВ (рис. 2.8).

Первые линии связи на многомодовых волокнах работали в первом окне прозрачности вблизи 850 нм, поскольку для работы в этом диапазоне были доступны лазерные источники и приемники. Применение линий, использующих первое окно прозрачности (~850 нм), ог­раничивается локальными и внутриобъектовыми сетями.

Линии магистральной и внутризоновой связи, имеющие длину регенерационного участ­ка 30...70 км, работают во втором окне прозрачности (1285...1330 нм), в котором величина хроматической дисперсии минимальна.

Наиболее перспективным для высокоемких сетей связи оказалось освоение диапазо­нов пропускания в длинноволновой области: третьего (1530... 1565 нм) и четвертого (1565... 1625 нм) окон прозрачности, в которых все современные типы кварцевых оптиче­ских волокон имеют наименьшее затухание (0,18...0,20 дБ/км), и для которых разработа­ны оптические усилители на основе легированного эрбием оптического волокна.

Рис. 2.8. Спектральное затухание и окна прозрачности кварцевого оптического волокна: 1 — первое окно; 2 — второе окно; 3 — третье окно; 4 — четвертое окно; 5 — пятое окно

И, наконец, в последние годы разработана принципиально новая технология изготовле­ния оптических волокон, исключающая наличие ионов ОН" в стекле сердцевины волокна. Таким образом, было открыто для передачи пятое окно прозрачности (1350...1530 нм), что увеличило рабочий диапазон длин волн почти на 100 нм по сравнению со стандартным во­локном. При этом коэффициент затухания ОВ в пятом окне прозрачности оказывается даже меньшим, чем во втором окне.

Оценка качества ОВ по затуханию проводится с учетом комплекса характеристик, кото­рые обычно представлены в спецификациях на оптические волокна:

• коэффициент затухания на опорных длинах волн 850, 1310 и 1550 нм;

• прирост коэффициента затухания в интервале рабочих длин волн относительно коэф­фициента затухания на опорной длине волны:

1285...1330 нм (1310 нм); 1530...1565 нм (1550 нм); 1530...1625 нм (1550 нм);

• коэффициент затухания на длине волны гидроксильного пика 1383 ± 3 нм;

• однородность (непрерывность) затухания по длине волокна;

• макроизгибные потери (изменения затухания волокна, намотанного на оправку диа­метром 32 мм, один виток, и на оправку диаметром 75 мм, 100 витков).

Длина волны отсечки. Определяется как наименьшая длина волны, при которой в во­локне реализуется одномодовый режим распространения излучения. Длина волны отсеч­ки зависит от натяжения волокна, радиуса изгиба волокна, сжатия и т.д., поэтому длина волны отсечки «свободного волокна» меньше, чем длина волны отсечки оптического кабеля . Важность этого параметра обусловлена тем, что при превышении значения длины волны отсечки оптического кабеля над длиной волны используемого в линии связи оптического источника излучения передача сигнала по ОК в одномодовом режиме стано­вится невозможной. В спецификациях на ОВ обычно приводится значение этого парамет­ра для волокна в кабеле .

Диаметр модового поля (ДМП). Этот параметр относится также к важнейшим характе­ристикам одномодового волокна и характеризуется диаметром сечения ОВ, в котором со­средоточена основная часть мощности распространяющегося излучения ¹⁾. Диаметр модово­го поля по величине численно близок, но не равен диаметру сердцевины ОВ. В специфика­ции на ОВ обычно приводится также погрешность концентричности ДМП волокна, некруг­лость ДМП обычно не измеряется.

Дисперсия оптического волокна

Второй важнейшей характеристикой оптического волокна с точки зрения применения его в линиях связи является дисперсия — рассеяние во времени и в пространстве спектральных или модовых составляющих оптического импульса, что ведет к увеличению его длительно­сти при распространении по длине ОВ. Явление дисперсии приводит к тому, что при прохо­ждении последовательности прямоугольных импульсов (цифрового сигнала) через опреде­ленную длину ОВ импульсы будут уширяться и, в итоге, станет невозможным разделение двух соседних импульсов, т.е. возникнут ошибки передачи. Таким образом, дисперсия явля­ется основным фактором, ограничивающим пропускную способность, или ширину полосы пропускания ОВ.

Три механизма дисперсии являются причинами, уменьшающими ширину полосы про­пускания ОВ:

• межмодовая дисперсия;

• хроматическая дисперсия;

• поляризационно-модовая дисперсия.

Относительное влияние каждого из этих механизмов зависит от типа ОВ (многомодовое или одномодовое) и типа источника излучения (лазерный или светоизлучающий диод).

Межмодовая дисперсия. Обусловлена различной скоростью распространения мод в волокне и возникает в многомодовых ОВ, в том числе при использовании лазерных ис­точников. Величина межмодовой дисперсии определяется, в основном, профилем показа­теля преломления ОВ. В одномодовых ОВ межмодовая дисперсия возникает, если рабо­чая длина волны меньше длины волны отсечки волокна, т.е. когда режим работы ОВ пере­стает быть одномодовым.

Хроматическая дисперсия. Возникает из-за различия скоростей распространения длин волн, составляющих спектр источника излучения, что приводит к уширению импульса. В величину хроматической дисперсии. основной вклад вносят две составляющие:

₍₇₎

где — материальная дисперсия, — волноводная дисперсия.

Материальная дисперсия может рассматриваться как уширение импульса при его распространении через массив стекла, что обусловлено зависимостью показателя пре­ломления стекла сердцевины ОВ от длины волны.

Волноводная дисперсия связана с направляющими свойствами волокна и оп­ределяется зависимостью групповой скорости мод от длины волны излучения. Степень этой зависимости определяется волноводной структурой волокна: геометрическими размерами сердцевины и формой профиля показателя преломления, а также шириной спектра излучения источника.

Для расчета хроматической дисперсии волокон с несмещенной дисперсией. на длине волны пользуются уравнением Селмейера:

_{пс/нм·км, (8)}

где — длина волны нулевой дисперсии, нм; — наклон дисперсионной кривой, пс/нм²·км.

Типичные кривые материальной и волноводной дисперсии для разных типов одномо­довых волокон — стандартного с несмещенной дисперсией (Рек. МСЭ-Т G.652), ОВ со вмещенной дисперсией (Рек. МСЭ-Т G.653) и ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (Рек. МСЭ-Т G.655) приведены на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Типичные кривые материальной и волноводной дисперсии одномодовых волокон [2.8]: 1 — материальная дисперсия; 2 — волноводная дисперсия стандартного ОВ с несмещен­ной дисперсией (Рек. МСЭ-Т G.652); 3 — волноводная дисперсия ОВ со смещенной и не­нулевой смещенной дисперсией (Рек. МСЭ-Т G.653 и G.655, соответственно)

Материальная дисперсия практически одинакова для всех типов ОВ и на длинах волн больше 1290 нм имеет положительный знак. Волноводная дисперсия имеет отрицательный знак, ее величина для стандартного ОВ незначительна, что в сочетании с вкладом матери­альной дисперсии дает нулевое значение хроматической дисперсии для стандартного волок­на на длине волны 1310 нм.

Изменяя структуру профиля показателя преломления ОВ, т.е. меняя величину волно­водной дисперсии, можно изменять соотношение между материальной и волноводной дисперсиями и, таким образом, величину суммарной хроматической дисперсии. Этот принцип лежит в основе технологии получения ОВ со смещенной (Рек. МСЭ-Т G.653) и ненулевой смещенной (Рек. МСЭ-Т G.655) дисперсиями. Волокна этих типов оптимизиро­ваны для работы в третьем и четвертом окнах прозрачности (1530... 1625 нм), где сочетаются минимальное затухание на длине волны 1550 нм и низкое значение хроматической дисперсии в этом диапазоне.

В спецификациях хроматическую дисперсию ОВ обычно характеризуют следующие параметры:

- длина волны нулевой дисперсии , нм;

-максимальная дисперсия в рабочих интервалах длин волн 1285... 1330 нм и 1530...1565 нм, пс/нм·км;

- максимальный наклон дисперсионной кривой при ,пс/нм²·км.

Поляризационная модовая дисперсия (ПМД). Характеризуется временем дифференци­альной групповой задержки между двумя ортогонально поляризованными модами, что при­водит к уширению импульса [2.7]. Причиной возникновения ПМД является небольшая асимметрия поперечного сечения, всегда имеющая место в реальных ОВ, и напряжения, ко­торым эти ОВ подвергаются. Величина ПМД определяется комбинацией двух факторов: ли­нейного двулучепреломления и взаимодействия мод.

Появление ПМД в ОВ определяют два вида механизмов: внутренние и внешние.

Внутренние механизмы — это некруглость сердцевины и оболочки ОВ, неконцентрич­ность покрытия, неконцентричность сердцевины по отношению к оболочке, эллиптичность покрытия, неконцентричность покрытия по отношению к волокну, внутренние напряжения в стекле ОВ.

Внешние механизмы ПМД связаны с усилиями, действующими на ОВ. Это радиальные напряжения сжатия, напряжения сжатия и растяжения при изгибе ОВ и напряжения сдвига при кручении ОВ.

Характеристики асимметрии ОВ имеют случайное распределение по длине волокна и во времени, что свидетельствует о статистической природе явления ПМД. Величина ПМД од­ного участка линии может добавляться и вычитаться из величины другого случайным обра­зом, отсюда имеет место квадратичная зависимость величины ПМД от длины ОВ. Важной особенностью ПМД является то, что ее величина не является постоянной, а зависит от тех­нологии каблирования и воздействий на кабель, таких как сжатие, скручивание, изгиб, мон­таж и прокладка кабеля и т.д.

В спецификациях обычно приводятся два параметра, характеризующих величину ПМД — значение коэффициента ПМД индивидуального волокна и величина коэффициен­та ПМД протяженной линии, размерность ПМД — . В пределах ошибки измере­ния величина коэффициента ПМД одна и та же для длин волн 1310 и 1550 нм.

Коэффициент ПМД протяженной линии, состоящей из соединенных волокон, определя­ется как квадратный корень из математического ожидания квадрата (среднеквадратичная величина) коэффициентов ПМД отдельных волокон.

Эффект ПМД в линиях связи первого поколения не принимался во внимание, однако по мере увеличения протяженности линий и внедрения оптических усилителей стала прояв­ляться роль ПМД как фактора, ограничивающего дальность и скорость передачи. При этом требования к ширине полосы пропускания растут на всех уровнях, начиная от магистраль­ных сетей и кончая сетями доступа, и это обстоятельство вызывает необходимость ужесто­чения требований к ПМД и ее контроля при строительстве и эксплуатации линий связи.