Дидактичний матеріал до лекції 4 кредитного модулю ФТСМ-1, 10 сем.

ОПТИЧНІ ВОЛОКНА, ПРИНЦИП ЇХ ДІЇ ТА ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ

1.  Типи оптичних волокон

2.  Променева теорія передачі оптичних сигналів

3.  Числова апертура ОВ

4.  Хвильова теорія передачі оптичних сигналів

5.  Коефіцієнт затухання в ОВ

6.  Дисперсія імпульсних сигналів в ОВ

Табл. 1

Годы

1970 г.

1974 г

1979 г

ХХI в.

α, дБ/км (λ, мкм)

18

4

0,2 (1,55)

0,2…0,5 (1,2…1,6)

ВОСП обладают замечательными качествами.

Имеют широкую полосу пропускания, обусловленную чрезвычайно высокой частотой несущего колебания (1014 Гц).

Малое затухание ОВ позволяет строить волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) с длиной ретрансляционных участков ℓУР=100 км и более.

Низкий уровень шумов в ОВ.

Высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие взаимных помех (DWDM?) между волокнами в оптическим кабеле (ОК).

Малая масса и габаритные размеры. Диаметр волокна 125 мкм (без защитных покрытий).

В ОК отсутствуют медь и свинец.

Рис. 1. Серцевина ОВ

, для кварца μ = 1, тогда n = . n1>n2

Добавки: окислы германия GeO2, фосфора P2O5, бора В2О3 и др. n2 = const, а n1 = n1(r).

Определение 1. Оптическое волокно, в котором показатель преломления n1 в сердцевине постоянный, а на границе раздела с оболочкой скачком уменьшается до показателя преломления оболочки n2, называется ступенчатым.

l<< 2а

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4

Определение 2. Оптическое волокно, в котором профиль показателя преломления сердцевины n1(r) является монотонно убывающей функцией радиуса, называется градиентным. Вид функции может быть различным. В настоящее время широкое применение нашли ОВ с параболическим профилем:

где r – текущий радиус (рис. 5);

D=(n1 – n2)/n1 – относительная разность показателей преломления.

Рис. 5 Рис. 6


Рис. 7

(1.1)

qПР = 900 (qПАД≥qКРИТ

qПАД= . (1.2)

. (1.3)

V = c / n1. (1.4)

. (1.5)

qВ; q1; qПАД = π/2 – q1.

qПАД ³ qКРИТ; qПАД=qКРИТ ↔ qВmax

, n0 = 1, и NA = sin qВmax. (1.6)

. (1.7)

=, т. е. = (1.8)

D = (n1 – n2) / n1<< 1; n1+n2» 2n1, т. к. n1 и n2 мало отличаются друг от друга, .

Для градиентного ОВ используется: − локальная числовая апертура.

Для ОВ с параболическим профилем n1(r) используется − эффективная числовая апертура.

Детальное исследование процесса передачи оптических сигналов по ОВ возможно только в рамках волновой теории, которая рассматривает этот процесс как передачу разновидности электромагнитных волн в цилиндрическом волноводе. Процесс передачи электромагнитных волн описывается уравнениями Максвелла в цилиндрической системе координат. В общем случае уравнения Максвелла имеют несколько решений. Каждому решению соответствует определенная структура ЭМП, которая называется типом волны, а также модой, которая обозначается двумя числовыми индексами n и m

У симметричных волн Еom и Hom, только одна продольная составляющая, и несимметричных (смешанных или дипольных) Enm и Hnm, имеются одновременно две продольные составляющие (EHnm, HЕnm).

Оптическое волокно, в котором распространяется только одна волна (мода) типа НЕ11, называется одномодовым (ООВ). Оптические волокна, у которых распространяются несколько мод, называются многомодовыми (МОВ).

− обобщенный параметр F / нормированная частота (1.9)

Для ООВ F< 2,405. Для ступенчатого ООВ F = 0,5F2. Для градиентного ОВ F = 0,25F2

Рис. 8. Основні типи втрат ОВ

где: αс – коэффициент затухания, обусловленный собственными потерями мощности в ОВ;

αд – коэффициент затухания, обусловленный дополнительными потерями мощности в ОВ при размещении ОВ в кабеле/кабельные потери.

Собственные потери мощности в ОВ: αс = αпол + αпог + αр

где: αпол − расход мощности сигнала на диэлектрическую поляризацию;

αпог − потери мощности на поглощение (Fe2+, Cu2+, Cr3+ и ионы гидроксильной группы ОН-);

αр − потери мощности на рассеяние.

= KР + () + C, дБ/км

где для кварцевых ОВ: КР = 0,8 мкм4 дБ/км; С = 0,9 дБ/км; к = 0,7 …0,9 мкм.

Рис. 9

α, дБ/км

λ, мкм

α, дБ/км

λ, мкм

Рис. 9.1. Спектральна залежність затухання в волокні TrueWave RS Lucent Technologies

Рис. 9.2. Спектральна залежність затухання в волокні All-Wave Lucent Technologies

Табл. 2. Спектральні діапазони ООВ по Рекомендації ITU-T G.652

Позна-чення

Назва

Довжини хвиль, нм

англ.

укр.

O

Oridginal

Основній

1260…1360

Е

Extended

Розширений

1360…1460

S

Short wavelength

Короткохвильовий

1460…1530

C

Conventionel

Стандартний

1530…1565

L

Long wavelength

Довгохвильовий

1565…1625

U

Ultra-long wavelength

Понаддовгий

1625…1675

α, дБ/км

λ, нм

Рис. 9.3. Спектральні діапазони ООВ по Рекомендації ITU-T G.652

Табл. 3

Виробники

αmax, дБ/км

λ, мкм

“Одескабель”(Одеса) і «Южкабель» (Харків)

≤ 0,4

1,31

≤ 0,3

1,55

 

Рис. 10

На рис. 10 довжина вхідного

й вихідного імпульсів надано

на рівні 0,5 від максимального

значення.

, нс/км)

Рис. 11. Види дисперсії ОВ

, пc/км [В( ) – удельная внутримодовая дисперсия, пc/(км×нм)]

, пc/км [ М() – удельная дисперсия материала, пc/(км×нм)]

, нс/км.

Рис. 12. Типові залежності внутрішньомодової й матеріальної дисперсії ООВ

τ, пс/(нм×км)

Рис. 13. Коефіцієнт хроматичної дисперсії ООВ поблизу 1550 нм

Литература

1.  Скляров -оптические сети и системы связи. – М.: "СОЛОН-Пресс", 2004. – 272с.

2.  Иванов оптика: компоненты, системы передачи, измерения. – М.: "Компания САЙРУС СИСТЕМС", 1999. – 672с.

3.  , Бондаренко -оптические кабели и линии связи. – М.: "Эко-Трендз", 2003. – 282 с.

4.  Фриман -оптические системы связи.3-е дополненное издание / Пер. с англ. под ред. . - М.: «Техносфера»», 2006. - 496с.

5.  Портнов кабели связи. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 230 с.

6.  Портнов кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 464с.

7.  Хмелев SDH: Монография. – Киев: ІВЦ “Видавництво “Політехніка”. 2003. – 584с.

8.  Хмелев фотонного транспорта. – Киев: Техніка. 2008. – 680 с.