ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

С .Ф. Глаголев, B.C. Иванов

Л.Н. Кочановский

ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций

в качестве учебного пособия по специальностям:

210406- «Сети связи и системы коммутации»

210404 — «Многоканальные телекоммуникационные системы»

210401 - «Физика и техника оптической связи»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

УДК 621.372.061

Глаголев С.Ф., Иванов B.C., Кочановский, Л.Н. Передаточные характе­ристики оптических волокон: учебное пособие (спец. 21040 1,210404,210406) / СПбГУТ. СПб, 2005. ISBN 5-89160-045-5

Утверждено в качестве учебного пособия редакционно-издательским советом университета (2005, п. 42).

Приводятся конструктивные и оптические параметры ОВ, используемых в конструкциях оптических кабелей. Излагаются причины потерь мощности сигнала при распространении по ОВ, а также виды дисперсий световых импульсов в многомодовых и одномодовых волокнах. Описываются методы измерения передаточных характеристик ОВ.

Рецензент проф. Б.К. Чернов (СПбГУТ)

© С.Ф. Глаголев, B.C. Иванов, Л.Н. Кочановский, 2005

© Санкт-Петербургский государственный университет

телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2005

ISBN 5-89160-045-5

Содержание

Введение 4

1.Геометрические и оптические параметры оптических волокон 6

1. Геометрические параметры………………………………………….. 6

2. Оптические параметры…………………………………….. 8

1.2.1. Относительная разность показателей преломления 8

1.2.2.Числовая апертура 8

3. Нормированная частота…………………………………………………………………..…10

4. Число распространяющихся мод………………………………..……………………………12

5. Диаметр модового поля…………………………………………………..…..………………..13

6. Длина волны отсечки…………………………………………………………..……….……..14

2.Передаточные характеристики оптических волокон……………………………..…………..……15

1. Оптические потери в волокне…………………………………………………..…………………..…15

2. Потери на стыках оптических волокон……………………………………..………………………...20

3. Дисперсия импульсов………………………………………………..………………………………...24

1. Причины и виды дисперсии…………………………………………………..………..…….24

2. Показатель преломления материала…………………………………………..………..……28

3. Материальная дисперсия………………………………………………………..………..…..34

4. Межмодовая дисперсия………………………………………………………..…………..…37

5. Совместное влияние межмодовой и материальной дисперсий………………………...…..42

6. Дисперсия в ступенчатых одномодовых волокнах……………………………..………..…44

7. Поляризационная дисперсия…………………………………………………..………….…49

2.4.Ширина полосы пропускания………………………………………………..……………………….50

3.Характеристики современных оптических волокон……………………………..………….……53

1. Многомодовые градиентные оптические волокна……………………………..……………………53

2. Одномодовые волокна………………………………………………………..…………………….…55

1. Стандартные ООВ с несмещенной дисперсией…………………………………..…….…..55

2. ООВ со смещенной нулевой дисперсией………………………………………..……….…58

3. ООВ со смешенной ненулевой дисперсией…………………………………..………….…60

4.Измерение передаточных характеристик ОВ……………………………………..…………………..66

1. Методы измерения затухания…………………………………………………..…………..…66

2. Метод обрыва…………………………………………………………………..……………...67

3. Измерение вносимых потерь………………………………………………..…………….….70

4. Метод обратного рассеяния………………………………………………..…………………72

5. Измерение полосы пропускания и дисперсии оптических волокон………………………75

6. Измерение параметров формы оптических импульсов…………………………..…………77

Литература …………………………..…………………………..…………………………..…………..79

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс страны во многом определяется объемом и скоростью передачи информации. Обеспечить растущий объем передаваемой информации возможно лишь на основе применения волоконно-оптических ка­белей, которые по сравнению с традиционными металлическими кабелями об­ладают определенными преимуществами, основные из которых:

• широкая полоса пропускания, позволяющая передавать сигналы со скоростью 1-2 Тбит/с и выше;

• низкий уровень потерь сигнала при распространении, позволяющий передавать сигналы без регенерации на расстояние порядка 120-350 км;

• нечувствительность к электромагнитным помехам, позволяющая прокладывать ВОК в местах с высоким уровнем таких помех, а также высокая защищенность от несанкционированного перехвата передаваемой информации;

• малые масса и размеры ВОК.

Использование света для передачи информации известно человечеству уже давно. Однако отсчет истории использования современных оптических систем передачи ведется с 1970 года, когда компания Corning Glass Works изго­товила оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления и затуханием порядка 20 дБ/км. Такое затухание уже обеспечивало конкуренто­способность систем передачи информации по оптическому волокну.

В последующие годы совершенствование технологии производства опти­ческих волокон (ОВ) развивалось быстрыми темпами. Было изготовлено (1973) градиентное многомодовое волокно с затуханием 4 дБ/км, и начато производст­во одномодового волокна (1983).

Оптическое волокно в настоящее время является самой совершенной фи­зической средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Поэтому не случайно при построении современных информацион­ных сетей наиболее часто используются волоконно-оптические кабели и систе­мы.

Впервые волоконно-оптические кабели начали использоваться для воен­ных целей в США (1973), а на телефонной сети первый волоконно-оптический кабель (ВОК) принят в эксплуатацию (1976). Широкомасштабное использование волоконно-оптических кабелей началось в 1980-х гг., когда прогресс в техноло­гии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности.

В настоящее время ВОК прочно занимают свои позиции, интенсивно раз­виваются и являются важнейшим элементом при построении магистральных, зоновых и местных первичных сетей взаимоувязанной сети связи (ВСС) Рос­сии. С 1993 года строительство магистральных, а с 1996 и внутризоновых ли­ний связи ведется в стране с использованием ВОК.

Последние годы являются периодом широкого внедрения ВОК. По всему миру поставщики услуг связи ежегодно прокладывают под землей, в тоннелях, по дну океанов и на ЛЭП десятки тысяч километров ВОК. Стремительными темпами идет замена кабелей с металлическими жилами на волоконно-оптические кабели на всех участках линий. Сегодня ВОК приближается к ко­нечному пользователю, т. е. к абоненту.

В настоящее время в конструкциях ВОК наибольшее распространение получили стандартные одномодовые волокна, используемые в сетях электро­связи общего использования, и градиентные многомодовые волокна, исполь­зуемые в локальных сетях.

Полоса пропускания современных одномодовых оптических волокон (ОВ) и оптических кабелей (ОК) составляет десятки терагерц (ТГц), а затухание на длине волны 1550 нм менее 2 дБ/км. Благодаря этому объем передаваемой информации по одному волокну в современных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) возрос до нескольких Тбит/с, а дальность передачи увеличилась до сотен километ­ров без применения промежуточных пунктов регенерации сигналов.

Такое улучшение характеристик кабельных систем передачи позволило зна­чительно повысить качество, как существующих услуг связи, так и создать целый ряд новых видов, для реализации которых используются высокоскоростные воло­конно-оптические системы передачи (ВОСП). На основе волоконно-оптических технологий созданы ВОЛС всех уровней: объектовые, городские, зоновые и маги­стральные со скоростями передачи цифровой информации до 10 Гбит/с.

За истекший период техника волоконно-оптической связи развивалась стремительно. Пройден путь от ступенчатых и градиентных многомодовых во­локон (длина волны 0,85 мкм, скорость передачи 140 Мбит/с и коэффициент за­тухания 5 дБ/км) к одномодовым волокнам различного профиля (длины волн 1,3 и 1,55 мкм, скорости передачи 565 Мбит/с и 2,4 Гбит/с и коэффициент зату­хания 0,25 дБ/км).

Исследования в области волоконно-оптических технологий интенсивно про­должаются. К числу наиболее прогрессивных можно отнести технологию плотного волнового мультиплексирования DWDM, позволяющую значительно увеличить пропускную способность уже существующих волоконно-оптических магистралей.

В настоящее время применение оптических кабелей целесообразно и эко­номически эффективно на всех участках взаимоувязанной сети связи РФ. Ис­пользование ОК значительно повышает технико-экономические показатели систем передачи и обеспечивает возможность перехода к цифровым сетям ин­тегрального обслуживания.

В заключение следует отметить, что если XX век был веком расцвета электрических кабелей связи, то век XXI станет веком оптических.