волс++3. Лекция Классификация и конструкция волоконнооптических кабелей
 Скачать 482.7 Kb.
|
|
Типы световодов Простейший световод представляет собой круглый диэлектрический стержень, называемый сердцевиной, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины  , а оболочки  , где ε1 и ε2 – относительная диэлектрическая проницаемость. Показатель преломления оболочки обычно постоянен, а сердцевины (в общем случае) является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.Если сердцевина световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световодами со ступенчатым профилем показателя преломления (см. рисунок 6.1 а) (есть ступенька п на границе сердцевина-оболочка). Если показатель преломления от центра к краю изменяется не ступенчато, а плавно, то такие световоды называются световодами с градиентным профилем показателя преломления, или градиентными световодами (см. рисунок 6.1, б). Наибольшее распространение получили градиентные световоды с параболическим профилем показателя преломления:  (6.1)где n1 – показатель преломления в центре сердцевины (≈1,5); r – текущий радиус; d – диаметр сердцевины;  = 0,003 ... 0,01 . (6.2) Рисунок 6.1- Ход лучей в ступенчатом (а), градиентном (б) и одномодовом (в) оптическом волокне Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред. Лучи распространяются в оптически более плотной среде, окруженной менее плотной, поэтому необходимо n1>n2. В зависимости от угла Θкр, который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (см. рисунок 6.2), имеют место волны излучения, волны оболочки (вытекающие лучи) и сердцевины (направляемые лучи).  Рисунок 6.2- Распространение излучения по оптическому волокну Если угол падения меньше некоторого критического угла, который определяется соотношением  , (6.3)то луч полностью отражается на границе сердцевина – оболочка и остается внутри сердцевины (луч 3). Этот угол соответствует углу полного внутреннего отражения φп. Режим полного внутреннего отражения зависит от диаграммы направленности источника излучения. Величину Θкр называют апертурным углом. Апертурой называется максимальный угол между оптической осью и световым лучом, падающим на торец многомодового волоконного световода, при этом выполняются условия полного внутреннего отражения в сердцевине (луч 3 на рисунке 6.2). Величина апертурного угла зависит от абсолютного значения показателя преломления сердцевины и разности показателей преломления сердцевины и оболочки. Световод пропускает лишь лучи, заключенные в конусе с углом Θкр, соответствующим φп – углу полного внутреннего отражения. Наряду с понятием апертура принято использовать также понятие числовая апертура (от англ. NumericalAperture):  (6.4)где n0 – показатель преломления наружной среды (равен 1, если торец световода граничит с воздухом). Как видно из рисунка 6.2, между предельным углом полного внутреннего отражения φп и апертурным углом падения луча имеется взаимосвязь. Чем больше угол φп, тем меньше апертурный угол волокна Θкр. Луч в торец световода следует вводить под углом, меньшим апертурного угла волокна Θкр. До тех пор, пока угол падения луча меньше, чем Θкр, луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе сердцевина - оболочка и передача будет проходить эффективно. В зависимости от условий распространения световой волны в сердцевине и числа распространяющихся мод оптические волокна делятся на две группы: одномодовые (SMF – SingleModeFiber, (см. рисунок 6.3)и многомодовые (ММF – MultiModeFiber).  Рисунок 6.3-Типы световодов Число мод в световоде связано с числовой апертурой следующими простыми соотношениями: для ступенчатого световода  ; (6.4)для градиентного световода  (6.5)где а – радиус сердцевины волокна, λ – длина волны. Критическая частота и длина волны волоконного световода При передаче электромагнитной энергии по волокну основная ее часть распространяется внутри сердцевины, часть же проникает в оболочку, где экспоненциально затухает. Степень уменьшения напряженности поля определяется волновым числом оболочки g2. При больших значениях волнового числа (высоких частотах) поле концентрируется внутри сердцевины. С уменьшением g2 поле перераспределяется в пространстве вне сердцевины и при g2=0 выходит из волокна (излучается). Частота, при которой это происходит, называется частотой отсечки, или критической частотой. Критическая частота определяется при g2=0 и имеет вид:  (6.6)где V – нормированная (характеристическая) частота волокна. Характеристическая частота представляет собой обобщенный параметр, включающий диаметр сердцевины, длину волны и коэффициенты преломления сердцевины и оболочки:  . (6.7)Таким образом, каждая мода имеет характеристическую частоту, которая определяет ее область существования. Тип мод определяется также параметром V = Ртп(п характеризует число изменений поля по периметру световода, а т – по диаметру). В таблице 6.1 приведены значения V для некоторых типов волн. Т а б л и ц а 6.1-Типы волн в оптическом волокне
Из таблицы 6.1 видно, что только одна несимметричная мода НЕ11 имеет V=0, а следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердцевины. Выбирая параметры световода (λ, d, n1, n2) таким образом, чтобы следующие высшие моды с более высокими частотами отсечки не могли распространяться, можно получить режим распространения только одной (основной) моды НЕ11. Таким образом, при 0<V<2,405 наблюдается одномодовый режим распространения. Рабочая частота и диаметр сердцевины световода при одномодовом режиме выбираются из условий:  ; (6.8) .(6.9)Практически одномодовый режим достигается при применении волокон с d≈λ. Для увеличенияd надо стремиться к уменьшению разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки (n1≈n2). С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод возрастает и устанавливается многомодовый режим передачи. Лекция 7. Затухание сигнала и дисперсия в волоконных световодах Цель лекции: изучить причины возникновения затухания и дисперсии в волоконных световодах. Затухание в световодных трактах характеризуется собственными потерями (αсоб) и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля (αдоп). Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения αп и потерь рассеяния αр. αсоб=αп+αр+αпр. (7.1) Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей (αпр) могут быть значительными. Затухание в результате поглощения αп, дБ/км, связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала световода (tg δ) и определяется по формуле  (7.2)где п1 - показатель преломления сердцевины; λ – длина волны, мкм; tg – тангенс угла диэлектрических потерь световода (для кварца составляет 10–10). Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Потери на рассеяние, дБ/км, рассчитывают по формуле  (7.3)где Кр – коэффициент рассеяния (для кварца (1…1,5)дБ/км·мкм4); – длина волны, мкм. Окна прозрачности [8] Связь 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 (см. рисунок 7.1).  Рисунок 7.1 - Собственные потери в оптическом волокне Для кварцевых световодов практический интерес представляют три окна прозрачности, перечисленные в таблице 7.1. Характеристики полупроводниковых излучателей и фотоприемников оптимизированы для работы в этих окнах. Т а б л и ц а 7.1-Окна прозрачности
Из таблицы 7.1 видно, что переход из первого во второе окно прозрачности дает существенный выигрыш по величине затухания, тогда как работа в третьем окне большого выигрыша в величине потерь не приносит. С другой стороны, по мере увеличения рабочей длины волны начинает быстро расти стоимость активных оптоэлектронных компонентов. Исходя из этих двух обстоятельств, в технике локальных сетей, где из-за сравнительно малой протяженности кабельных трасс стоимость оконечной аппаратуры относительно велика, в подавляющем большинстве случаев используют первое и второе окна прозрачности. Линии дальней связи, стоимость которых определяется в первую очередь длиной участка регенерации, работают в основном во втором итретьем окнах прозрачности, где кроме низкого затухания,достигается также малая величина дисперсии. Дисперсия и пропускная способность световодов Наряду с затуханием α важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи является полоса частот ΔF, пропускаемая световодом. Она определяет объем информации, который можно передавать по оптическому кабелю (ОК). Ограничение ΔF применительно к цифровым системам передачи обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным вследствие различия скоростей распространения в световоде отдельных его частотных составляющих. Данное явление носит название дисперсии. Дисперсия (уширение импульсов) – рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Импульсный сигнал на вход приемного устройства приходит тем искаженнее, чем длиннее линия. Дисперсия приводит к появлению межсимвольных помех и ограничению пропускной способности кабеля. Чем меньше дисперсия, тем больший поток информации можно передать по волокну. Уширение импульса возникает также при прохождении импульса через соединители, модуляторы, демодуляторы и другие устройства. Величина дисперсии может быть рассчитана по формуле:  . (7.4)Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в световоде (межмодовая или модовая дисперсия), а с другой стороны – некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн Δλ (хроматическая дисперсия). Межмодовая дисперсия. В многомодовых оптических волокнах основной вклад в уширение импульса вносит межмодовая дисперсия. Процесс возникновения межмодовой дисперсии следует отдельно рассматривать в ступенчатом и градиентном волокне из-за зависимости скорости распространения всех лучей от показателя преломления (v=c/n1). Для ступенчатого оптического волокна:  , при l<lc; , при l>lc (7.5)где lс – длина связи мод, для ступенчатого оптического волокна составляет 5…7 км. Для градиентного оптического волокна:  , при l<lc; , при l>lc . (7.6)Длина связи мод градиентного световода 10…15 км. Модовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок ниже, чем у ступенчатых волокон (см. рисунок 7.2).  Рисунок 7.2 -Межмодовая дисперсия оптических волокон На практике расчет полосы пропускания многомодового волокна выполняют по формуле  . (7.7)Полоса пропускания измеряется в МГц·км. Физический смысл параметра – это максимальная частота передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия растет с увеличением длины линии, то полоса пропускания зависит от расстояния обратно пропорционально. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||