Мен және менің мектебім65. Лабораторные работы 2,3,4 Изучение параметров оптических световодов

• Название: Лабораторные работы 2,3,4 Изучение параметров оптических световодов
• Анкор: Мен және менің мектебім65
• Дата: 22.09.2022
• Размер: 0.84 Mb.
• Имя файла: Laboratornye_raboty_2_3_4_09_6_chasov.doc
• Тип: Документы; #690855
• страница: 3 из 7

!Дисперсия и полоса пропускания оптического световода

Д исперсия наряду с затуханием является важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи. Сигнал на вход приемного устройства приходит тем более искаженным (рис. 2.20) , чем длиннее линия и чем больше дисперсия.

Под дисперсией понимают зависимость показателя преломления, а значит и фазовой скорости световых волн или от частоты. Из-за различных фазовых скоростей различные спектральные составляющие радиоимпульса распространяются с разными скоростями, то есть время распространения спектральных составляющих сигнала по линии передачи зависит от частоты. Это и приводит к искажению формы импульса.

. Величину уширения импульса можно определить, измерив ширину импульса на входе и на выходе.

,

Значения t_вых и t_вх берутся на уровне половины амплитуды по мощности.

Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими в этом плане являются одномодовые световоды. Из многомодовых световодов лучшие данные у градиентных. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых световодов. Соответственно пропускная способность одномодовых световодов - тысячи, градиентных - сотни и ступенчатых - десятки мегагерц.

В оптических световодах существует несколько причин возникновения дисперсии.

Во-первых, показатель преломления может зависеть от длины волны света. Такую дисперсию называют хроматической. Существует два вида хроматической дисперсии: материальная и волноводная.

В о-вторых, если в волноводе распространяется несколько мод, то каждая мода, даже если частоты мод будут одинаковы, может распространяться со своей скоростью. Различают дисперсию в многомодовом световоде, когда существуют продольные и попе-речные моды и поляризационную модовую дисперсию, которая существует и в одномодовом световоде.

Рассмотрим хроматическую дисперсию. Вспомним эксперимент с разложением белого света стеклянной призмой на спектральные составляющие. На выходе спектр получается потому, что для разных длин волн показатель преломления у стекла разный и чем больше длинна волны (меньше частота), тем больше показатель преломления и ближе к основанию призмы отклоняется свет. Такая дисперсия – свойство материала, поэтому она и называется материальной.

В световоде существует и другой механизм возникновения хроматической дисперсии. Даже при полном внутреннем отражении электромагнитное поле световой волны существует и в сердцевине и в оболочке. Показатели преломления сердцевины и оболочки различны и различны фазовые скорости в них. При распространении сигнала волна в оболочке слегка тормозится, а в сердцевине слегка ускоряется так, чтобы установилось некоторое промежуточное значение скорости. Это значение будет зависеть от распределения энергии электромагнитного поля между сердцевиной и оболочкой. Чем больше энергии распространяется в оболочке, тем больше скорость распространения электромагнитного процесса. С изменением длины волны распределение энергии между оболочкой и сердцевиной изменяется и изменяется скорость распространения сигнала. Это и есть второй вид хроматической дисперсии – волноводная дисперсия.

Рассмотрим модовую дисперсию. В многомодовом волокне скорость распространения разных мод различна. Покажем это, воспользовавшись приближением геометрической оптики. Моду можно представить в виде луча света. Лучи, соот­ветствующие разным модам идут под разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна и, следовательно, поступают на вход приемника с различной задержкой. Это и есть модовая дисперсия многомодового световода. Как правило модовая дисперсия многомодового световода. намного больше всех остальных видов. Ее мы и попытаемся посчитать в лабораторной работе.

Модовая дисперсия многомодового световода, связана не с изменением частоты, а с изменением свойств электромагнитного поля для различных мод. Для численной оценки модовой дисперсии можно использовать величину ∆t [пс/км]- максимальная разность времен прохождения различными модами отрезка в 1 километр.

В одномодовом световоде электромагнитное поле, как правило, линейно поляризовано. Световод круглый и не имеет выделенного направления по углу, поэтому вектор электрического поля может располагаться под любым углом к горизонтали. Если бы световод был абсолютно симметричен по углу, то это не приводило бы ни к каким изменениям в сигнале. Однако, получит полную симметрию при изготовлении световода не удается. Кроме того, изгибание световода вызывает дополнительную асимметрию свойств. Таким образом, скорость распространения сигнала в реальном световоде будет зависеть от угла наклона электрического вектора к горизонтали. Это и есть поляризационная модовая дисперсия. Поляризационная модовая дисперсия много меньше всех остальных. Однак, когда в одномодовых волокнах удается устранить хроматическую дисперсию, тогда именно поляризационная модовая дисперсия выходит на первый план.

Для описания волноводной и материальной дисперсии в световоде используется разложение постоянной распростра­нения  ряд Тейлора в окрестности несущей с круговой частотой ₀.



где ; ;
(1.5)

П ервое слагаемое описывает распространение несущей с фазовой скоростью v_ф, второе – распространение огибающей модулированного колебания с групповую скоростью, а третье – изменение условий распространения связанное с зависимостью групповой скорости от круговой частоты. Это и есть дисперсия групповых скоростей(ДГС). Коэффициент ₂ имеет размер­ность [пс²/км]. Он и определяет дисперсию волокна. В диапазоне длин волн 500-1600 нм ₂ для кварца (материальная дисперсия) почти линейно уменьшается от +70 до -40 [пс²/км], (см. рис. 9-4) принимая ну­левое значение на длине волны примерно 1270 нм. Эта длина волны называется длиной волны нулевой дисперсии для объемной среды. Однако в реальных линиях передачи нулевая дисперсия практически никогда не наблюдается. Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обу­словлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход (светоизлучающий диод или лазерный диод), формирует световые импульсы, имеющие спектр определенной ширины, а нулевая дисперсия наблюдается лишь на одной частоте.

Дисперсионные свойства тракта передачи зависят от источника излучения. При лазерных источниках благодаря узкой полосе излучаемых частот дисперсия сказывается несущественно. В некогерентных передатчиках (светодиодах) полоса излучения намного шире и дисперсия проявляется довольно значительно. Основной параметр, который характеризует степень уширения импульса (./), для лазеров составляет 0,001 , а для светодиодов—0,1, т. е. на два порядка больше.

Для описания дисперсии в световоде с учетом и материальной и волноводной состав­ляющей вместо параметра ₂ используется коэффициент дисперсии, или просто дисперсию D:

.

Коэффициент модовой дисперсии можно определить экспериментально.

(1.6)

г де t – уширение импульса,  – ширина спектра импульса в нанометрах, а L – длина линии связи. Дисперсия показывает насколько уширится импульс при прохождении участка линии передачи длинной 1 километр, если интервал длин волн сигнала занимает 1 нанометр. Уширение импульса растет пропорционально длине линии передачи и интервалу длин волн, занимаемых сигналом.

Волноводная дисперсия добавляется к материальной и сдвигает длину волны нулевой дисперсии до 1310 нм. Этот факт используется при выборе длины волны источника (1310 нм) для работы с одномодовыми оптическими волокнами с несмещенной дисперсией.

Используя несколько слоев оболочки и, тем самым, изменяя параметры волноводного тракта, можно сдвинуть длину волны нулевой диспер­сии в диапазон 1500-1600 нм, в котором затухание меньше. Для этого оказалось достаточным использовать две оболочки. Используя многослойную оболочку (см. рис. 9-5, кривая ОС - оболочка имеет 4 слоя), можно добиться почти плоской и близкой к нулевой дисперсионной характеристики (D  1-6 пс/км нм) в диапазо­не длин волн от 1300 до 1650 нм.

Параметры волокон и волоконно-оптических кабелей на их основе определены в рекомендациях международного союза электросвязи МСЭ-Т (ITU-T). Ниже приводится краткое описание стандартов, посвященных оптическим волокнам и кабелям на их основе
Рекомендации МСЭ-Т (ITU-T) по характеристикам

оптических волокон и ВОК на их основе
Стандарт G.650

Стандарт G.650 дает общие определения типов волокон, перечень основных характеристик и параметров одномодовых волокон, а также методов измерения и контроля этих параметров.
Стандарт G.651

Стандарт G.651 распространяется на многомодовое оптическое волокно с диаметром световедущей жилы 50 мкм и оболочки 125 мкм и на ВОК на его основе. В нем содержатся рекомендации по основным параметрам этих волокон, контролируемым характеристикам и допустимым нормам. Этот тип волокна используется только в коротких, внутриобъектовых ВОЛС с рабочей длиной волны 0,85 и редко 1,31 мкм.
Стандарт G.652

Стандартное одномодовое волокно с несмещенной дисперсией классифицируется стандартом G.652 (получило широкое распространение с 1983 года). Его параметры оптимизированы для диапазона длин волн 1,31 мкм, в котором волокно имеет нулевую хроматическую дисперсию и минимальное затухание. Диаметр световедущей жилы волокна — G.652 равен 9 мкм, а оболочки — 125±2 мкм.

Это волокно используется для одноволновой и многоволновой передачи (спектральное уплотнение), в том числе в диапазоне длин волн 1,55 мкм и обеспечивает передачу информации со скоростями до 10 Гбит/с на средние расстояния (до 50 км).

Использование волокна — G.652 при более высоких скоростях передачи требует усложнения оконечной аппаратуры, что, в свою очередь, приводит к значительным финансовым затратам.
Стандарт G.653

Стандарт G.653 распространяется на одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией в области l=1,55 мкм. Это волокно имеет нулевую дисперсию в области минимальных потерь волокна, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданному распределению коэффициента преломления по диаметру жилы.

Волокно типа G.653 используется в протяженных магистральных широкополосных линиях и сетях связи, оно обеспечивает передачу информации на несколько сотен километров со скоростями до 40 Гбит/с. Однако по нему можно передавать только один спектральный канал информации, то есть оно не может быть использовано в волоконно-оптических системах и сетях, в которых применяются волоконно-оптические усилители и плотное оптическое спектральное мультиплексирование (DWDM-технологии). Причина этого заключается в высоких уровнях световой мощности в волокне после усиления и высокой плотности спектрального уплотнения, т. е. необходимости одновременной передачи большого числа независимых спектральных каналов по одному волокну.

Высокая концентрация световой мощности в волокне — G.653 из-за особенностей структуры жилы приводит к проявлению нелинейных эффектов и, в частности, четырехволновому смешению, которое проявляется при нулевой хроматической дисперсии и приводит в свою очередь к перекрестным помехам в линии.
Стандарт G.654

Стандарт G.654 содержит описание характеристик одномодового волокна и кабеля, имеющих минимальные потери на l=1,55 мкм. Это волокно было разработано для применения в подводных ВОЛС. За счет больших, чем у волокна стандарта G.653 размеров световедущей жилы, оно позволяет передавать более высокие уровни оптической мощности, но в то же время обладает более высокой хроматической дисперсией в диапазоне l=1,55 мкм. Волокно типа G.654 не предназначено для работы на какой-либо другой волне излучения кроме l=1,55 мкм.
Стандарт G.655

Стандарт G.655 относится к волокну со смещенной ненулевой дисперсией — NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber). Это волокно предназначено для применения в магистральных волоконно-оптических линиях и глобальных сетях связи, использующих DWDM-технологии в диапазоне длин волн 1,55 мкм.

Волокно — G.655 имеет слабую, контролируемую дисперсию в С полосе (l=1,53-1,56 мкм) и большой диаметр световедущей жилы по сравнению с волокном типа G.653. Это снижает проблему четырехволнового смешения и нелинейных эффектов и открывает возможности применения эффективных волоконно-оптических усилителей.

Стандарт G.656

Характеристики волокна и кабеля с ненулевой дисперсией для широкополосной оптической передачи. В Рекомендации описываются геометрические и механические характеристики и характеристики передачи одномодового оптического волокна, которое имеет положительное значение коэффициента хроматической дисперсии, превышающее некоторое ненулевое значение во всем диапазоне длин волн предполагаемого использования 1460–1625 нм. Такая дисперсия снижает рост нелинейных эффектов, которые могут проявиться особенно сильно в системах высокоплотного мультиплексирования с разделением по длинам волн.

Это оптическое волокно может использоваться как в системах CWDM, так и в системах DWDM во всем диапазоне длин волн от 1460 до 1625 нм. В таком оптическом волокне ненулевая дисперсия используется для уменьшения четыхволнового смешивания и перекрестной фазовой модуляции в более широком диапазоне длин волн, чем в оптическом волокне, описанном в Рекомендации МСЭ-Т G.655.

Типичные значения для составных волоконно-оптических линий



ПРИМЕЧАНИЕ. – Типичное значение для линии соответствует коэффициенту затухания линии, используемому в Рекомендациях МСЭ-Т G.957 и G.691.
Стандарт G.657

Характеристики одномодового оптического волокна и кабеля, не чувствительного к потерям на макроизгибе, для использования в сетях доступа. В Рекомендации содержится описание двух категорий волоконно-оптических одномодовых кабелей, пригодных для использования в сетях доступа, в том числе в помещениях в оконечной части таких сетей.

Волокна категории A применимы в спектральных полосах O, E, S, C и L (то есть во всем диапазоне от 1260 до 1625 нм). Волокна и требования, относящиеся к этой категории, являются подмножеством волокон G.652.D и обладают теми же характеристиками передачи и соединения. К основным усовершенствованиям относятся улучшенные характеристики потерь на изгибе и спецификации, допускающие более плотное размещение, – оба эти фактора способствуют связности.

Волокна категории B пригодны для передач на волнах длиной 1310, 1550 и 1625 нм на ограниченные расстояния, связанных с транспортом сигналов внутри помещений. Эти волокна характеризуются иными, по сравнению с волокнами G.652, свойствами сращивания и соединения, но допускают очень малые радиусы изгибов.