Т-волны симметричной пары и четверки проводников

Для симметричной пары распеределение Е и Н поля имеет вид:

Для четверки:

17. Первинні та вторинні параметри симетричної пари.

где Я0 - электрическое сопротивление цепи постоянному току; F - коэффициент, учиты­вающий потери в проводнике вследствие поверхностного эффекта; Р - коэффициент, учи­тывающий потери в проводниках второй пары этой же четверки: для звездной скрутки Р = 5, для двойной парной скрутки Р = 2; G - коэффициент, учитывающий потери в про­воднике вследствие эффекта близости; Н- коэффициент, учитывающий потери в провод­нике вследствие повторного действия эффекта близости; x - коэффициент спиральности скрутки x = 1,02; АЯ - дополнительное сопротивление вследствие потерь на вихревые то­ки в соседних четверках и металлической оболочке.

где Q - коэффициент, учитывающий вытеснение магнитного поля из проводника вследст­вие поверхностного эффекта; а - расстояние между центрами проводников, мм.

18.Параметри взаємного впливу між двома коаксіальними лініями.

В отличие от симметричных кабелей, коаксиальные пары не имеют внешних поперечных электромагнитных полей. Поэтому при идеальной конструкции ко­аксиальных пар взаимное влияние между ними отсутствует. В реальных же условиях, ко­гда внешние проводники имеют продольную щель и толщина проводника небольшая (0,1...0,3 мм), коаксиальные пары подвержены взаимным и внешним помехам, обус­ловленным продольной составляющей электрического поля Е₂, направленной вдоль оси коаксиальной пары.

Влияние между двумя коаксиальными парами цепей I к II осуществляется через тре­тью промежуточную цепь III, образованную из внешних проводников этих пар. Физическую сущность взаимного влияния можно объяснить следующим образом. По внешнему проводнику (цепь I) влияющей коаксиальной пары течет ток, в связи с чем на ее внешней поверхности создается падение напряжения и действует продольная составляю­щая электрического поля Е_г. Она вызывает ток на поверхности внешнего проводника (цепь II) коаксиальной пары, подверженной влиянию. Это обусловлено тем, что из двух внешних проводников коаксиальных пар создается промежуточная цепь, в которой дейст­вует ЭДС, равная Е_г, на внешней поверхности внешнего проводника влияющей коакси­альной пары. Ток, протекающий во внешнем проводнике подверженной влиянию коакси­альной пары, вызывает падение напряжения в нагрузках цепи 2, создающее помехи.

Взаимное влияние цепей обусловлено наличием электрической и магнитных связей Электрическая связь определяется отношением тока I2 в цепи, подверженной влиянию, к разности потенциалов во влияющей цепи U1: К12= g + iwk = I2 / U1 [ См ] где g - активная составляющая электрической связи k - емкостная связь

Магнитная связь: М12 = r + iwm = -Е2/I1 [ Ом ] где: Е2- наведенная ЭДС в цепи,подверженой влиянию r - активная составляющая магнитной связи, m - индуктивная связь

Параметры, учитывающие взаимное влияние линий связи:

Переходное затухание на ближнем конце: А0 = 10 lg P10 / P20

Переходное затухание на дальнем конце: Аl = 10 lg P1l / P2l

Защищенность на дальнем конце: Аzl = 10 lg P10 / P2l

19. Порівняльні характеристики різноманітних ліній перечачи. Переваги волоконо-оптичних ліній.

Коаксиал: Частоты – 1-цы кГц – 10-ки МГЦ незначительное влияние помех узкая полоса пропускания

простота и дешевизна оборудования

Симметричная линия: Частоты – 1-цы Гц – 1-цы МГЦ сильное влияние помех узкая полоса пропускания

простота и дешевизна оборудования взаимные помехи

Оптоволокно: Частоты – 10¹⁴ – 10¹⁵ Гц Широкая полоса пропускання помехозащищенность

малые габариты относительная сложность оборудования высокая надежность

Оптические системы по сравнению с электрическими дороже при небольшом числе каналов и дешевле при большом числе каналов. В настоящее время экономически целесообразными являются ВОЛС со скоростью 34 Мбит/с и выше.

Физические особенности:

1. Стекловолокно обладает значительной широкополосностью, которая обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 10¹⁴ Гц. Это означает, что по оптическим линиям связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹² бит/с. Другими словами по одному стекловолокну можно передать одновременно 10 милиионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. В оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных ортогональных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи.

2. Стекловолокно обладает очень малым затуханием (по сравнению с другими средами). Лучшие образцы волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более “прозрачные”, так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регерационными участками через 4600 км при скорости передачи 1 Гбит/с.

Технические особенности:

1. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а поэтому недорого материала, в отличие от меди.

2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, т.е. очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в кабельной технике.

3. Стекловолокна не являются металлом, поэтому при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов.

4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным полям, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа.

5. Важным свойством оптического волокна является долговечность.

Коаксиал:

· Частоты – 1-цы кГц – 10-ки МГЦ

· сильное влияние помех

· узкая полоса пропускания

· простота и дешевизна оборудования

Симметричная линия:

· Частоты – 1-цы Гц – 1-цы МГЦ

· сильное влияние помех

· узкая полоса пропускания

· простота и дешевизна оборудования

· взаимные помехи

Оптоволокно:

· Частоты – 10¹⁴ – 10¹⁵ Гц

· Широкая полоса пропускания

· помехозащищенность

· малые габариты

· относительная сложность оборудования

· высокая надежность

Основные преимущества ОК:

1. Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой несущей частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1.1…2 Терабит/с

2. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить линии связи длиной до 120…150 км без регенерации сигналов.

3. Абсолютная нечувствительность к электромагнитным помехам.

4. Отсутствие перекрестных помех в ОК.

5. Малые масса и габариты ОК.

6. Другие достоинства:

Относительно высокая защищенность от несанкционированного перехвата передаваемой информации, пожаробезопасность и невысокая стоимость по сравнению с медными кабелям.

20. Типова структура волоконо-оптичної лінії.

Информация, передаваемая абонентами через передатчик, поступает на электрооптический преобразователь (ЭОП), роль которого выполняет лазер (Л) или светодиод (СД). Здесь электрический сигнал преобразуется в оптический и направляется в ОК. На приеме оптический сигнал поступает в оптико-электрический преобразователь (ОЭП), в качестве которого используется фотодиод (ФД), преобразующий оптический сигнал в электрический. Таким образом, на передающей стороне от передатчика до ЭОП, а также на приемной стороне от ЭОП до приемника действует электрический сигнал, а от ЭОП до ОЭП по оптическому кабелю проходит оптический сигнал. Электрический сигнал, создаваемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую, и в модулируемом виде световой сигнал передается по оптическому кабелю. В основном используется способ модуляции интенсивности оптической несущей, при котором от апмлитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, передаваемая в ОК.

Оптические системы передачи, как правило являются цифровыми (импульсными). Это объясняется тем, что передача аналоговых сигналов требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических системах.

Через определенные расстояния (5,...., 100 км), обусловленные энергетическим потенциалом аппаратуры и величиной потерь в ОК, вдоль оптической линии располагаются линейные регенераторы (ЛР), в которых сигнал восстанавливается и усиливается до требуемого значения. Кроме того, для преобразования кода и согласования элементов схемы имеются кодирующие устройства - преобразователи кода (ПК) и согласующие устройства (СУ). Преобразователь кода формирует трубуемую последовательность импульсов и осуществляет согласование уровней по мощности между электрическими и оптическими элементами схемы (от аппаратуры ИКМ поступает высокий уровень, а для электропреобразователей необходим весьма малый уровень). Передающие и приемные согласующие устройства формируют и согласовывают диаграммы направленности (диаграмма направленности - это телесный угол, в котором действует максимальная интенсивность излучения) и апертурный угол между приемопередающими устройствами и кабелем. Применяются также устройства ввода и вывода излучения, сростки, для сращивания оптических волокон и кабелей, направленные ответвители, фильтры и другие элементы оптического тракта.

Типовая схема системы связи, использующей ВОЛС, показана на рис. 1.1. Аналоговый сигнал, генерируемый оконечным оборудованием данных (ООД), например, телефоном, тер­миналом, видеокамерой и т.д., приходит на узел коммутации, где аналого-цифровой преоб­разователь (кодер) оцифровывает его в битовый поток. Битовый поток используется для мо­дуляции оптического передатчика, который передает серию оптических импульсов в оптиче­ское волокно. На приемной стороне импульсы света преобразуются обратно в электрический сигнал при помощи оптического приемника. Декодерная часть коммуникационной системы преобразует бинарный электрический поток обратно в аналоговый сигнал ООД. Обычно ко­деры и декодеры, а так же оптические приемники и передатчики совмещаются в одном уст­ройстве, так что образуется двунаправленный канал связи.

Типовая схема системы связи с использованием ВОЛС "точка-точка"

21. Квантово-електронні модулі, підсилювачі та лінійні регенератори.

Для повышения надежности и снижения требований к условиям эксплуата­ции и монтажа источники и приемники для ВОЛС выполняют в КЭМ, предна­значенных для приема и передачи информации по ВОЛС со стандартными скоростями 2,048; 8,448; 34,448; 139,264 Мбит/с

Квантово-электронный модуль (КЭМ) позволяет подключать с одной стороны аппаратуру (передачи или приема), а с дру­гой — оптический кабель. На передаче модуль обеспечивает преобразование электрического сигнала в оптический, а на приеме — обратное преобразование. В состав КЭМ на передаче входят: полупроводниковый источник излучения с электронной схемой воз­буждения (ИЛ), согласующие устройства, обеспечивающие эффективный ввод из­лучения в волокно и разъемный соединитель, с помощью которого осуществляются подсоединение светово­да и ввод в него оптического сигнала.

В состав КЭМ на приеме входят согласующее устройство, разъемный соединитель, полу­проводниковый фотодетектор, преобразующий оптический сигнал в электрический, и малошумящий усилитель.

Для уменьшения зависимос­ти характеристик от температуры и времени наработки используют систему стабилизации выходной мощности, под­держивающую постоянную выходную мощность излучения путем соответст­вующего изменения тока накачки. В процессе деградации источника из­лучения при достижении предельного Iн система встроенной диагностики формирует на специальном выходе модуля сигнал потенциального отказа, который используется для выявления КЭМ, отра­ботавшего свой ресурс. Входной форми­рователь обеспечивает согласование КЭМ со стандартными сигналами. Схема блокировки предотвращает возникнове­ние нежелательных режимов работы ИЛ и блокирует его работу при отсутствии входного сигнала.

Линейный регенератор. Через определенные расстояния (10...50 км), обусловленные дисперсией или затуханием кабеля, вдоль оптической линии располагаются линейные регенераторы (ЛР). В ЛР сигнал восста­навливается и усиливается до требуемого значения.

ОЭП – оптикоэлектрический преобразователь, ЭОП – электрооптический преобразователь.

В регенераторе, содержащем два полукомплекта (отдельно для прямого и обратного направлений передачи), оптический сиг­нал преобразуется в электрический. В таком виде он регенериру­ется, усиливается и затем обратно преобразуется в оптический сигнал, который далее передается по ОК (оптический кабель). Оптический кабель подключается к ОЭП приемника через разъемный соединитель.

Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования. Он, используя специальные активные среды и лазеры накачки, усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуциро­ванному излучению. Однако, есть две основные причины, которые делают применение усилителя более предпочтительным.

1. Качество сигналов, передаваемых по оптическому волокну, остается очень высоким вследствие малой дисперсии и за­тухания. Также не велик уровень вносимых шумов из-за подверженности волокна влиянию электромагнитного излучения. Поэтому ретрансляция передаваемых данных простым усиле­нием без полной регенерации становится весьма эффективной.

2. Оптический усилитель является более универсальным устройством, поскольку в отли­чии от регенератора он не привязан к стандарту передающегося сигнала или определенной частоте модуляции.

На практике на один регенератор может приходиться несколько последовательно рас­положенных оптических усилителей (до 4-8).

22. Найпростіші двохшарові світловоди.

Волоконный световод, состоящий из однородной сердцевины и однородной оболочки, называется двухслойным, или ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП).

Важным параметром ВС является числовая апертура, От её значения зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в ВС, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод. Для однородного двухслойного ВС число мод N = V²/2.

Здесь - нормированная рабочая частота; l - длина волны; a - радиус сердцевины.

Такие световоды состояли из световодной жилы, заключенной в прозрачную оболочку, показатель преломления которой был меньше, чем показатель преломления жилы. Если толщина прозрачной оболочки превосходит несколько длин волн передаваемого светового сигнала, то ни пыль, ни свойства среды вне этой оболочки не оказывают существенного влияния на процесс распространения световой волны в двухслойном световоде. Подобные световоды можно покрывать полимерной оболочкой и превращать их в световедущий кабель, пригодный для практического применения. Но для этого необходимо создать совершенную границу между жилой и прозрачной оболочкой. Наиболее простая технология изготовления световода состоит в том, что стеклянный стержень-сердцевина вставляется в плотно подогнанную стеклянную трубку с меньшим показателем преломления. Затем эта конструкция нагревается.

В волоконно-оптических световодах используется двухслойное волокно. Оно состоит из «сердцевины» (внутренней жилы) с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2.

Поскольку внутренняя жила оптически более плотная, чем оболочка (n1 >n2), то для лучей, входящих в световод под малыми углами по отношению к оси световода, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении световой волны на границу с оболочкой вся ее энергия отражается внутр. «сердцевины». То же самое происходит и при всех последующих отражениях.

Таким образом, свет распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку.

Обычно внутренняя (световедущая) жила изготавливается из чистого кварца, а светоотражающая оболочка, имеющая меньший показатель преломления, из кварца, легированного бором. Диаметр внутренней жилы световода обычно не превышает десятков мкм, диаметр оболочки — 100 мкм. Как показывают экспериментальные исследования, такие световоды отличаются высокой прочностью и в то же время устойчивы к изгибам и скручиванию.

Двухслойные световоды могут объединяться в кабели, содержащие до нескольких сот двухслойных волокон (рис. 10.6). Типовые технические данные оптических кабелей следующие: наружный диаметр 2...20 мм; прочность на разрыв—от десятков до сотен ньютонов, масса—2...200 г/м (минимальные значения порядка 0,3 г/м), допустимый радиус изгиба 5...50 см.

Волоконный световод, состоящий из однородной сердцевины и однородной оболочки, называется двухслойным, или ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП). Поперечное сечение и ППП такого световода показаны на рис. 1.

n₁

n₂

Важным параметром ВС является числовая апертура, которая определяется выражением

От её значения зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в ВС, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод. Для однородного двухслойного ВС число мод N = V²/2.

Здесь - нормированная рабочая частота;

l - рабочая длина волны; a - радиус сердцевины.

Каждая мода обладает характерными для неё структурой ЭМП, фазовой и групповой скоростями.

Числовая апертура зависит от материала и способа изготовления световодов. ВС со ступенчатым ППП с большой апертурой (0,2-0,6) изготовляют из многокомпонентных стёкол.

24.Однополярізаційнї світловоди. Світловоди інтегральної оптики.

Постоянное совершенствование ВОЛС в направлении увеличения скорости передачи информации и длины участка регенерации поставило задачу создания так называемых когерентных ВОЛС с гетеродинным методом приёма оптических сигналов. Для этих ВОЛС необходимы одномодовые световоды, сохраняющие поляризацию передаваемого излучения на большой длине – однополяризационные световоды. В обычном круглом световоде определённое состояние поляризации сохраняется на расстоянии не более чем несколько метров.

Разработаны однополяризационные световоды с линейной и круглой поляризациями. Световоды с линейной поляризацией представляют собой аксиально-несимметричные структуры, в которых может распространяться или мода только одной поляризации, или две моды различной поляризации, но с большой разностью между значениями постоянных распространения этих мод. Первые называют абсолютно поляризационными световодами, вторые световодами с линейным двулучепреломлением.

Примером абсолютно однополяризационных световодов являются световоды с аксиально-несимметричным распределением показателя преломления в сердечнике.

Ортогонально поляризованные моды НЕx11 и HEy11 имеют различные частоты отсечки Vcx и Vcy соответственно. Частотный диапазон одномодового режима характеризуют параметром S

Значения параметра S малы, поэтому такие световоды находят ограниченное применение.

В однополяризованных световодах с линейным двулучепреломлением разность постоянных распространения двух поляризаций моды НЕ11 можно увеличить либо изменением формы поперечно­го сечения сердечника (оболочки), либо созданием анизотропно­го индуцированного механического напряжения в поперечном се­чении. Тогда первое двулучепреломление называют геометричес­ким, а второе — индуцированным.

Поляризационные свойства световодов с двулучепреломлением характеризуются коэффициентом модового двулучепреломления и длиной биений

где bx и by – постоянные распространения двух мод различных поляризаций; lВ – длина волны в световоде. Для сохранения поляризации необходимо, чтобы L<Lс, где Lс — пространствен­ный период случайных возмущений вдоль световода, обычно составляющий несколько сантиметров.

Одномодовые световоды с круговой поляризацией получают при скручивании аксиально-симметричных световодов, при этом возникает различие постоянных распространения мод НЕ11 с кру­говой поляризацией по часовой

Световоды для устройств интегральной оптики. представляют собой слой постоянной толщины с диэлектрической проницаемостью Е0 нанесенный на подложку из диэлектрика с Е1, причем Е0>Е1 и Е2. Если угол между нормалью к поверхности пленки и направлением распространения луча света θ больше критического угла падения для верхней и нижней границ раздела, то световая волна в пленке, испытывая полное внутреннее отражение, будет распространяться по зигзагообразному пути и может быть названа зигзагообразной волной. Постоянная распространения волноводной моды , где n*- эффективный показатель преломления волноводной моды.

Значения угла θ соответствуют набору углов, удовлетворяющих самосогласованному распространению поля в волноводе, при котором поддерживается распространение волноводной моды.

Области существования волноводных мод для идеального плоского волновода характеризуются диаграммой ω-β. На частоте отсечки постоянные распространения мод принимают значения, лежащие на верхней границе n1k. При увеличении частоты ω (или толщины волновода) величина β возрастает и достигает нижней границы n0k. Дискретный спектр волновода дополняется непрерывным спектром излучательных мод.

Число волноводных мод определяется как:

25. Показник заломлення, нормована частота, числова апертура, фазова та групова скорості розповсюдження світлових хвиль.

Волоконный световод, состоящий из однородной сердцевины и однородной оболочки, называется двухслойным, или ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП). Поперечное сечение и ППП такого световода показаны на рис. 1.

n₁

n₂

Важным параметром ВС является числовая апертура, которая определяется выражением

От её значения зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в ВС, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод. Для однородного двухслойного ВС число мод N = V²/2.

Здесь - нормированная рабочая частота;

l - рабочая длина волны; a - радиус сердцевины.

Каждая мода обладает характерными для неё структурой ЭМП, фазовой и групповой скоростями.

.

Показатель преломления (ПП) внутреннего слоя – сердцевины – в общем случае является функцией радиальной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления (ППП).Пусть - наибольшее значение ПП сердцевины; - ПП внешней оболочки; , - соответствующие диэлектрические проницаемости. Для существования поверхностных мод (волн), поле которых убывает при удалении от сердцевины, необходимо чтобы превышало .

ВС, состоящий из однородной сердце­вины и однородной оболочки, называет­ся двухслойным или ВС со ступенчатым ППП (рис. 1.1, а). ВС, состоящие из не­скольких однородных концентрических слоев диэлектрика, в зависимости от со­отношений между ПП слоев называют кольцевыми световодами (рис. 1.1, б); световодами W-типа (рис. 1.1, в) или кольцевыми W-типа (рис. 1.1, г). Если ПП сердцевины непрерывно изменяется вдоль радиальной координаты, ВС на­зывается градиентным или граданом (рис. 1.1, д, е). Наиболее изучены харак­теристики ВС, для которых ППП

при

где r — текущий радиус; — относительная разность ПП сердцевины и оболочки; g — показатель степени, определяющий изменение n(r);a - радиус сердцевины (рис. 1.1, д).

Волоконные световоды с g=2 называ­ют параболическими, так как ППП опи­сывается параболой. При изготовлении градиентных ВС по технологическим причинам часто получают в центре серд­цевины область с уменьшенным значе­нием ПП (рис. 1.1, е). Такие ВС получили название световодов с осевым провалом в ППП.

Числовая апертура, которая определяется выражением

От её значения зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в ВС, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод. Для однородного двухслойного ВС число мод N = V2/2.

Здесь - нормированная рабочая частота;

l - рабочая длина волны; a - радиус сердцевины. - волновое число в свободном пространстве.

Каждая мода обладает характерными для неё структурой ЭМП, фазовой и групповой скоростями.

Как известно, плоские волны в однородных средах распространяются с фазовой скоростью и групповой скоростью .

Для дисперсионной среды . Однако, в дисперсионных средах, где фазовая скорость эм волны, является функцией частоты имеют разные значения

26.Одно- та багатомодові свтловоди

Существует три вида оптических волокон:

1. Многомодовое волокно со ступенчатым индексом (обычно называемое
волокном со ступенчатым индексом).

2. Многомодовое волокно со сглаженным индексом (волокно со сглаженным
индексом).

3. Одномодовое волокно со ступенчатым индексом (одномодовое волокно).

Волокно со ступенчатым индексом

Многомодовое волокно со ступенчатым индексом — наиболее простой тип волокон. Оно имеет ядро диаметром от 100 до 970 микрон и может быть чисто стеклянным, PCS, или пластиковым.

Различные лучи затрачивают меньше или больше времени на прохождение одной и той же длины волокна. Лучи, которые движутся вдоль центральной оси ядра без отражений, достигают противоположного конца волокна первыми. Косые лучи появляются позднее. Свет, попадающий в волокно в одно и то же время, достигает про­тивоположного конца в различные моменты времени. Световой импульс рас­плывается во времени.

Это расплывание называется межмодовой дисперсией. Импульс света, который имел первоначально узкий, строго определенный профиль, в дальнейшем расширяется во времени. Межмодовая дисперсия возникает в результате различных длин тра­екторий, соответствующих различным модам волокна, именно она ограничивает возможную полосу пропускания оптического волокна.

Волокно со сглаженным индексом

Одна из возможностей уменьшения межмодовой дисперсии — использование сглаженного профиля показателя преломления. В этом случае ядро состоит из большого числа концентрических колец. При удалении от центральной оси ядра показатель преломления каждого слоя снижается. Чем дальше расположена траектория светового луча от центра, тем быстрее он движется. Свет постоянно и более плавно испытывает отражение от каждого слоя ядра. При этом его траектория отклоняется к центру и становится похожей на синусоидальную. Лучи, которые проходят более длинные дис­танции, делают это большей частью по участкам с меньшим показателем преломления, двигаясь при этом быстрее. Свет, распространяющийся вдоль центральной оси, проходит наименьшую дистанцию, но с минимальной ско­ростью. В итоге все лучи достигают противоположного конца волокна одно­временно..

Одномодовое волокно

Одномодовое волокно имеет чрезвычайно малый диаметр — от 5 до 10 микрон.

Поскольку данное волокно переносит только одну моду, межмодовая дисперсия в нем отсутствует.

Одномодовое волокно позволяет легко достичь ширины полосы пропус­кания от 50 до 100 ГГц-км. В настоящее время волокна имеют полосы про­пускания в несколько гигагерц и позволяют передавать сигнал на десятки километров.

Характеристики одномодовой системы ограничены возможностями электроники, а не волокна. Еще одно преимущество одномодового волокна заключается в том, что оно может быть проложено один раз, с тем чтобы в дальнейшем возможности передающей линии возрастали по мере развития и замены электронных устройств. Это позволяет экономить средства на прокладке новой более современной передающей линии и добиваться увеличения скорости передачи наиболее экономным способом.

В зависимости от конструкции различные виды волокон имеют специфи­ческие длины волн, называемые пороговыми длинами. Излучение с длиной волны, превосходящей пороговую длину, распространяется в одномодовом режиме. Особенность распространения излучения в одномодовом режиме подчеркивает еще одно отличие одномодового волокна от многомодового. В одномодовом волокне излучение переносится не только внутри ядра, но и в оптической оболочке, в связи с этим возникает дополнительное требование к эффектив­ности переноса энергии в этом слое.

Оптические волокна производятся разными способами, обеспечивают передачу оптиче­ского излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют раз­ные задачи. Все оптические волокна долятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index mu'ti mode fiber).

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step in­dex single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber)

Типы и размеры волокон приведены на рис. 2.1. Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина, по которой происходит рас­пространение светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного материала. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и обо­лочки. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины, У многомодового градиентного волокна и одномодового волокна со смещенной дисперсией показатель преломления сердцевины зависит от радиуса. Такой более сложный профиль делается для улучшения технических характеристик или для дости­жения специальных характеристик волокна.

Если сравнивать многомодовыо волокна между собой (рис. 2.1 а, б), то градиентное во­локно имеет лучшие технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в градиентном многомодовом волокне основной источник дисперсии значительно меньше, чем в ступенчатом многомодовом во­локне, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна.

Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым v., как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако они требует использования более дорогих лазерных пере­датчиков

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты волокон (табл. 2.1):

• многомодовое градиентное волокно 50/125 (рис. 2.1 а);

«многомодоьои градиентное волокно 62,5/125 (рис 2.1 б):

» одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией или стан­дартное волокно) 8-10/125 (рис. 2.1 в);

• одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (рис. 2.1 г);

• одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показа- • теля преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Большинство устройств волоконной оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 800 до 1600 нм в основном в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм, рис. 2.8 [1]. Именно окрестности зтих трех дпин волн образуют локальные минимумы затуха­ния сигнала и обеспечивают большую дальность передачи.

Многомодовые градиентные волокна

В стандартном многомодовом градиентном волокне (50/125 или 62,5/125) диаметр све-тонесущей жилы 50 и 62,5 мкм, что на порядок больше длины волны передачи. Это приводит к распространению множества различных типов световых лучей - мод - во всех трех окнах

прозрачности. Два окна прозрачности 850 и 1310 нм обычно используют для передачи света по многомодовому волокну.

Одномодовые волокна

В ступенчатом одномодовом волокне (SF) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света λ>λcf(λ>λcf- длина волны отсечки) распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспе­чивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрач­ности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестно­сти длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3-0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF) длина волны, на которой ре­зультирующая дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой дисперсии А.0 - смеще­на в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показате­ля преломления волокна, рис. 2.1 г. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму по­терь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм.

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оп­тимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультип­лексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей "полностью оптических сетей" - сетей, на узлах которых не происходит опто-злектронного преобразования при распространении оптического сигнала.

Передача мультиплексного сигнала на большие расстояния требует использования ли­нейных широкополосных оптических усилителей, из которых наибольшее распространение получили так называемые эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волокна (EDFA). Линейные усилители типа EDFA эффективно могут усиливать сигнал в своем рабочем диапазоне от 1530-1560 нм. Длина волны нулевой дисперсии у волокна NZDSF, в отличие от волокна DSF, выведена за пределы этого диапазона, что значительно ослабляет влияние не­линейных эффектов в окрестности точки нулевой дисперсии при распространении нескольких длин волн.

Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых волокон совершенно не означает, что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи: SF - пере­дача сигнала на длине волны 1310 нм, OSF - передача сигнала на длине волны 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигнала в окне 1530-1560 нм. Так, например, мультип­лексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому од-номодовому волокну SF. Однако длина безретрансляционного участка при использовании во­локна SF будет меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей хроматической дисперсии. Максимальное допустимое расстояние определяется технически­ми характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией), так и приемо­передающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным уширением излучения пе­редатчика, чувствительностью приемника

27.Спектральна залежність втрат в одномодовому світловоді.

Одной из важнейших оптических ха­рактеристик ВС. является коэффициент затухания. Потери ВС определяют длину ретрансляционного участка ВОЛС, т. е. расстояние, на которое можно переда­вать сигнал без усиления. Затухание света в ВС обусловлено рас­сеянием и поглощением света в матери­але, рассеянием, связанным с геометри­ей световода, с наличием соединений ВС.На рис. 1.2 приведена спектральная зависимость потерь в одномодовом ВС (а = 4,8 мкм; ), из­готовленном из германосиликатного стекла способом осаждения из газовой фазы. Максимумы поглощения на дли­нах волн 0,95; 1,25 и 1,39 мкм связаны с наличием примеси ионов ОН-. За ис­ключением этих максимумов, наблюдае­мая спектральная зависимость (сплошная кривая) хорошо согласуется с теорети­ческой, учитывающей вклад рэлеевского рассеяния (штриховая кривая) и ИК по­глощения (штрихпунктирная кривая) (рис. 1.2).

Аналогичные зависимости получены и для других ВС с низким уровнем по­терь, изготовленных способом осажде­ния из газовой фазы. Минимально достижимые значения коэффициента зату­хания определяются потерями на рас­сеяние: для мкм дБ/км; мкм дБ/км; мкм дБ/км. Средние значения коэф­фициента затухания при <1,1 мкм составляют 1—6 дБ/км, а при 1,1 мкм < < 1,6 мкм = 0,5 — 1 дБ/км.

Дата добавления: 2015-10-16