ПОТЕРИ СВЕТА В ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКНАХ
Типы оптических волокон
Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки. Оболочка покрыта защитным слоем из акрилатного лака. Сердцевина легирована германием, поэтому её показатель преломления больше, чем у оболочки. Свет распространяется в сердцевине волокна, испытывая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину
порядка длины волны, т.е. на глубину много меньше её толщины и, следовательно, не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды.
Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет
стандартный размер 125+1 мкм. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых
волокон 50 или 62.5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон может меняться в зависимости от типа волокна в пределах 7..9 мкм (рис. 1.1). Нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр модового пятна, величина которого зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм. Отклонение диаметра модового пятна от его средней величины в соответствии с международным стандартом ITU- T Rec. G. 652 не должно превышать 10 %.
|
|
|
|
Рис. 1.1. Геометрические параметры одномодовых и многомодовых волокон
Все типы волокон, применяемые в линиях связи, по своим геометрическим параметрам настолько близки друг к другу, что при внешнем осмотре, если нет специальной маркировки, определить какой это тип волокна, практически невозможно. Многомодовые волокна применяются в локальных вычислительных сетях и частично в транспортных сетях на уровне доступа. Характеристики многомодовых волокон и области их применения в линиях связи достаточно подробно рассмотрены в нашей предыдущей книге «Оптические волокна для линий связи».
Одномодовые волокна применяются в транспортных сетях всех трех уровней:
|
Рис. 1.2. Профили показателя преломления в одномодовых волокнах
Основные типы одномодовых волокон, применяемых в линиях связи, нормируются международными стандартами ITU-T Rec. G. 652...G. 655:
• G.652: волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии и длиной волны отсечки в районе 1310 нм.
|
|
|
• G.653: волокна со смещенной дисперсией (DS волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1550 нм и длиной волны отсечки в районе 1310 нм.
• G.654: волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1310 нм и длиной волны отсечки в районе 1550 нм.
• G.655: волокна со смещенной ненулевой дисперсией (NZDS волокна), обладающие малой дисперсией (0.1...6 пс/нм×км) в диапазоне длин волн 1530. ..1565 нм.
• G.656: волокна с ненулевой дисперсией для систем грубого уплотнения по длинам волн
(CWDM – Coarse Wavelength Division Multiplexing).
Существует также несколько специальных типов одномодовых волокон применяемых в волоконно-оптических устройствах:
• Волокна для компенсации дисперсии (DC – Dispersion Compensating), применяемые в модулях компенсации дисперсии.
• Волокна с примесью редкоземельных элементов, применяемые в оптических усилителях, например, в EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier.
• Волокна, сохраняющие состояние поляризации излучения (РМ – Polarization Maintaining),
применяемые в гироскопах, поляризационных делителях и смесителях.
• Дырчатые волокна (Holey Fiber), применяемые в компенсаторах дисперсии, в оптических шнурах, в нелинейных элементах.
|
|
|
Спектр оптических потерь
Зависимость потерь в кварцевых оптических волокнах от длины волны света представлена на рис. 1.3. В коротковолновой части диапазона потери ограничиваются релеевским рассеянием, а в длинноволновой части – инфракрасным поглощением.
|
l
|
Рис. 1.3. Спектр потерь и положение окон прозрачности в кварцевых волокнах.
Основным типом волокон, применяемых в линиях связи, являются стандартные одномодовые волокна (G. 652). Для их обозначения используют несколько различных сокращений: NDSF – No Dispersion Shifted Fiber (волокно с несмещенной дисперсией), SF – Standard Fiber (стандартное волокно), SSMF – Standard Single Mode Fiber (стандартное одномодовое волокно). Наиболее распространенное обозначение: SM – Single Mode (одномодовое).
Для лучших образцов SM волокон потери на длине волны 1550 нм составляют
0.18...0.19 дБ/км (такие волокна поставляются по специальному заказу). Кроме того, SM
волокна обладают более совершенными геометрическими параметрами и стабильным диаметром модового пятна, что позволяет достигать минимальных потерь в сростках таких волокон (типичное значение 0.02 дБ). Специфицированные значения потерь для SM волокон разных производителей приведены в таблице № 1.1
|
|
|
Таблица № 1.1 . Специфициро в анные зн ачения потерь в SM во лок нах (2 003 г.)
| П роизводители | A lcatel | C orning | H itachi | OFS | S amsung | S umitomo | Y OFC |
| Потери дБ/км | |||||||
| l = 1310 нм | ≤0.35 | ≤0.34 | ≤0.35 | ≤0.35 | ≤0.35 | ≤0.33 | ≤0.36 |
| l = 1550 нм | ≤0.22 | ≤0.20 | ≤0.21 | ≤0.22 | ≤0.22 | ≤0.19 | ≤0.22 |
Как видно из таблицы № 1.1., величина погонных потерь в спецификациях на SM волокна приводится с точностью до второго знака после запятой. Это ограничение по точности вызвано неоднородностью распределения потерь вдоль волокна. Распределение
потерь вдоль волокна находят по рефлектограмме длинного отрезка волокна. Для этого с помощью маркеров рефлектограмму разбивают на участки длиной порядка 1 км и
измеряют величину потерь на каждом участке. Одна из таких реализаций приведена на рис.
1.4.
|
Типичные гистограммы распределения потерь света в SM волокнах на l = 1310 нм приведены на рис. 1.5. Данные компании Fujikura датированы 1997 г., а данные компании Hitachi 1998 г. и 2001 г. Характерно, что, если судить только по потерям, то волокна этих компаний практически идентичны.
Рис. 1.5. Типичные гистограммы распределения потерь в SM волокнах на l= 1310 нм
Кривая зависимости потерь от длины волны носит, в определенной мере, иллюстративный характер, так как для разных типов волокон и разных производителей величина потерь может различаться. Наиболее сильно могут различаться потери в
«водяных» пиках на l = 1290 нм и 1383 нм. Так в последних разработках SM волокон за счет улучшения технологии очистки от водяных паров удалось снизить потери в «водяном» пике
|
Рис. 1.6. Спектр потерь в SM волокнах (G. 652), в LWPF волокнах (G. 652 С),
в волокнах с сердцевиной из чистого кварца Z Fiber (G. 654)
Волокна LWPF удовлетворяют требованиям Rec. G.652С и полностью совместимы с SM
волокнами (G. 652). В LWPF волокнах потери в водяном пике уменьшены до величины
0.31 дБ/км, что меньше, чем потери во втором окне прозрачности на l = 1310 нм (0.35 дБ/км). В результате появилась возможность создавать системы, работающие в пятом окне (S) прозрачности (1480...1520 нм), и в широком диапазоне длин волн (Е) находящимся между вторым и пятым окном прозрачности (1360...1460 нм). Этот новый диапазон длин волн называют расширенным (Extended) и обозначают буквой Е. Рабочие диапазоны длин волн и их наименования приведены в таблице № 1.2.
Таблица № 1.2 . Спек траль ные диапазо ны для одно модов ых во лок о н
| O - диапазон | 1260...1360нм | Основной (Original) |
| Е - диапазон | 1360...1460нм | Расширенный (Extended) |
| S - диапазон | 1460...1530нм | Коротковолновый (Short wavelength) |
| С - диапазон | 1530...1565нм | Стандартный (Conventional) |
| L - диапазон | 1565...1625нм | Длинноволновый (Long wavelength) |
| U - диапазон | 1625...1675нм | Сверхдлинный (Ultra-long wavelength) |
Длина волны отсечки в SM и LWPF волокнах лежит ниже 1310 нм, что обеспечивает возможность работы в одномодовом режиме во всех диапазонах длин волн начиная с О
диапазона. Однако чем дальше от длины волны отсечки находится рабочая длина волны,
тем больше потери, возникающие при изгибах волокон. В последние годы с развитием DWDM систем основным рабочим диапазоном стал С диапазон (l = 1550 нм), так в него попадает полоса усиления эрбиевого волоконного усилителя (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier). Для работы в этом диапазоне целесообразно использовать волокна с большей длиной волны отсечки (G. 654).
Недавно компания Sumitomo разработала волокна (Z Fiber, G. 654), обладающие предельно малыми потерями. В этих волокнах сердцевина не содержит примесей, а
показатель преломления световедущей оболочки уменьшен путем легирования её
примесью фтора (рис. 1.2).
Таким путем удалось не только снизить потери до рекордно малой величины
0.148 дБ/км на l = 1570 нм, но и существенно повысить их радиационную стойкость. Профиль показателя преломления у Z Fiber ступенчатый, как и у SM волокон, и они
обладают примерно такими же дисперсионными характеристиками. Применение волокон Z
Fiber позволяет увеличить расстояние между ретрансляторами на 30 % по сравнению с SM волокнами. Они могут быть использованы также в качестве компенсаторов дисперсии для уменьшения влияния нелинейных эффектов в DWDM системах.
Потери в изогнутых волокнах
Спектры потерь в изогнутых и в «прямых» волокнах могут существенно различаться. Так, например, в «прямых» волокнах потери на l = 1550 нм меньше чем на l = 1310 нм (рис.
1.3). В то же время потери, вносимые при изгибе волокна, на l = 1550 нм больше чем на
l = 1310 нм (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Зависимость величины вносимых потерь от диаметра намотки для SMF и PCF волокон
В прямом волокне потери (в рабочих диапазонах волн) возникают в основном из-за
|
l
волокне возникают дополнительные потери из-за того, что периферийная часть моды распространяется со скоростью большей скорости света в оболочке. Потери, вносимые при изгибе волокна, тем меньше, чем больше скачок показателя преломления между сердцевиной и оболочкой, и чем ближе рабочая длина волны к длине волны отсечки. В SM волокне длина волны отсечки немного меньше 1310 нм и SM волокно поддерживает одномодовый режим не только на l = 1550 нм, но и на l = 1310 нм. Однако так как
l = 1550 нм находится дальше от длины волны отсечки, то потери, вносимые при изгибе волокна, как видно из рис. 1.7, на этой длине волны заметно больше, чем на l = 1310 нм. Этот факт используется в рефлектометрии для поиска мест изгиба волокон.
В волокнах Z Fiber (G. 654) длина волны отсечки смещена в длинноволновую сторону
(1460 нм в кабеле). Для них зависимость вносимых потерь от диаметра намотки на оправку на l = 1550 нм должна быть примерно такой же, как в SM волокнах на l = 1310 нм. Однако, в
отличие от SM волокон, волокна Z Fiber не поддерживают одномодовый режим на
l = 1310 нм.
|
Рис. 1.8. Профиль показатель преломления дырчатого волокна (Holey Fiber)
Компания Hitachi разработала дырчатое волокно (PCF – Photonic Crystal Fiber),
предназначенное специально для изготовления оптических шнуров (рис. 1.8). Оно
практически не чувствительно к изгибу (таблица № 1.3) и обладает малыми потерями при соединении с SM волокнами (~ 0.12 дБ). Потери и дисперсия в этом волокне заметно больше, чем в SM волокнах, но для относительно коротких длин волокна в оптических шнурах это несущественно. Волокно поддерживает одномодовый режим на длинах волн
1550 нм и 1310 нм.
Таблица № 1.3 . Типичные харак теристики PCF в о ло ко н на l = 155 0 нм
| П араметр | 4-отверстия | 6-отверстий |
| Диаметр отверстий | 10 | |
| Потери, дБ/км | 0,35 | 0,44 |
| Дисперсия, пс/(нм×км) | 25,0 | 26,3 |
| Диаметр модового пятна, мкм | 8,7 | 8,2 |
| Потери при изгибе волокна, дБ/виток* | 0,1 | < 0,001 |
| Длина волны отсечки, нм | < 1300 | |
| Потери при сварке с SM волокнами, дБ | 0,12 (средние) | |
*Диаметр оправки 10 мм
Малые вносимые потери при изгибе PCF волокон достигаются за счет того, что отверстия окружающие сердцевину волокна, легированную германием, понижают эффективный показатель преломления световедущей оболочки. При этом удается получить достаточно большой диаметр модового пятна, что необходимо для эффективного согласования с SM волокнами и обеспечения малой чувствительности к изгибу волокна.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1656; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!