Оптическое волокно (стр. 4 )

Таблица 2.4. Дисперсия оптических сигналов в различных оптических волокнах

Тип волокна	?, нм	Межмодовая дисперсия, пс/км ?mod	Удельная хроматическая дисперсия, пс/(нм км)	Результирующая удельная полоса пропускания, МГц*км, W=0,44/?
??=2 нм	??=4 нм	??=35 нм
mmf 50/125	850	4141)	99,6	958	766	125
1310	414	1,0	1062	1062	1050
1550	414	19,2	1058	1044	540
mmf 62,5/125	850	9733)	106,7	441	414	114
1310	973	4,2	452	452	450
1550	973	17,3	451	450	384
SF 8/152	1310	0	< 1,8	>120000	61000	6900
1550	0	17,5	12600	6300	720
DSF 8/125	1310	0	21,2	10400	5200	594
1550	0	<1,7	>120000	65000	7400

Для того, чтобы при передаче сигнала сохранялось его приемлемое качество - соотношение сигнал/шум было не ниже определенного значения - необходимо, чтобы полоса пропускания волокна на длине волны передачи превосходила частоту модуляции. Ниже приводятся примеры расчета допустимой длины сегмента с использованием табл. 2.4.

Пример 2.1. Стандарт Ethernet для многомодового волокна. Оптический интерфейс 10Base-FL предполагает манчестерское кодирование с частотой модуляции 20 МГц. При использовании светодиодов с ?? =35 нм (850 нм) удельная полоса пропускания для волокна 50/125 составляет 125 МГц-км и при длине оптического сегмента 4 км будет 31 МГц, что больше 20 МГц. То есть, с точки зрения дисперсии, протяженность в 4 км является допустимой при указанной характеристике оптического передатчика и при данном типе волокна. Однако по затуханию, которое на этой длине волны составляет 3 дБ/км, динамического диапазона у стандартных приемопередатчиков на это расстояние может не хватить. Стандартом Ethernet 10Base-FL установлено допустимое расстояние 2 км с учетом менее строгих требований как к характеристикам кабельной системы (например волокно 62,5/125, наличие нескольких сухих соединительных стыков), так и к оптическим приемопередатчикам - оптическим трансиверам Ethernet (например ?? = 50 нм ).

Пример 2.2. Стандарт FDDI для многомодового волокна. Оптический интерфейс FDDI PMD предполагает кодировку 4В/5В с частотой модуляции 125 МГц. При использовании светодиодов с ?? = 35 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для волокна 62,5/125 составляет 450 МГц-км, и при длине оптического сегмента 2 км будет 225 МГц, что больше 125 МГц, то есть, с точки зрения дисперсии, протяженность в 2 км является допустимой, что находится в полном соответствии со стандартом FDDI PMD на многомодовое волокно.

Слабая зависимость полосы пропускания многомодового волокна (например 62,5/125) от спектральной ширины источника излучения, работающего на длине волны 1310 нм (450 МГц-км при ?? = 35 нм, и 452 МГц-км при ?? = 2 нм), объясняется незначительной долей хроматической дисперсии по сравнению с межмодовой в силу близости рабочей длины волны к длине волны нулевой дисперсии. Таким образом, технические требования к спектральной полосе оп­тических передатчиков для работы по многомодовому волокну на длине 1310 нм обычно слабые.

Пример  2.3.  Стандарт  Fast  Ethernet для  одномодового  волокна.

Оптический интерфейс 100Base-FX аналогично FDDI предполагает кодировку 4В/5В с частотой модуляции 125 МГц. При использовании лазеров с ?? = 2 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для ступенчатого одномодового волокна 8/125 составляет более 120000 МГц-км и при длине оптического сегмента 100 км будет 1200 МГц, что больше 125 МГц. То есть, с точки зрения дисперсии, протяженность в 100 км является допустимой, однако здесь уже начинает сказываться затухание. При динамическом диапазоне 25 дБ с учетом потерь на сухих соединениях и сварках при затухании в волокне 0,4 дБ/км получаем максимальное расстояние 62,5 км.

Уменьшить потери можно, если передавать сигнал на длине волны 1550 нм. По потерям при прежнем динамическом диапазоне 25 дБ и при условии, что волокно имеет затухание 0,25 дБ/км, получаем расстояние 100 км. По дисперсии при использовании лазеров с ?? = 2 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для ступенчатого одномодового волокна 8/125 составляет 12600 МГц-км. В итоге на дистанции 100 км полоса пропускания будет 126 МГц, что сравнимо с частотой модуляции Fast Ethernet. Это не очень надежно. При фиксированной спектральной полосе ??=2 нм затруднения можно снять, если использовать для передачи волокно со смещенной дисперсией DSF. Если же кабельная система представлена исключительно одномодовыми волокнами со ступенчатым профилем (SF), то следует использовать оптические передатчики с более узкой спектральной полосой, например ?? = 1 нм.

Пример 2.4. Стандарт АТМ 622 Мбит/с (STM-4) для одномодового волокна. Оптический интерфейс АТМ 622 Мбит/с использует кодировку 8В/10В, что соответствует частоте модуляции 778 МГц. При использовании лазера с ?? = 0,1 нм (1550 нм) удельная полоса пропускания для ступенчатого одномодового волокна 8/125 составляет 252000 МГц-км (12600х20) и при длине оптического сегмента 100 км будет 2520 МГц, что значительно больше 778 МГц. То есть, с точки зрения дисперсии, при использовании лазера с ??, = 0,1 нм (1550 нм) протяженность в 100 км является допустимой, даже если применяется стандартное ступенчатое волокно.

Пример 2.5. Передача супер-сигнала на частоте 100 ГГц по одномодовому волокну со смещенной дисперсией DSF. При использовании лазеров с ?? = 0,1 нм (1550 нм) удельная полоса пропускания для DSF 8/125 составляет более 2400 ГГц-км (20 х 120000 МГц-км) и при длине оптического сегмента 20 км будет 120 ГГц, что незначительно превосходит 100 ГГц. То есть, с точки зрения дисперсии, протяженность сегмента в 20 км находится на грани предельного допустимого расстояния. Именно поэтому оптические супер-сети со скоростью передачи на канал 100 Гбит/с имеют ограниченный масштаб, например масштаб города.

Поляризационная модовая дисперсия

Поляризационная модовая дисперсия ?pmd - возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной дисперсии ? нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/(vкм)), а ?pmd растет с ростом расстояния по закону ?pmd =ТvL. Для учета вклада в результирующую дисперсию следует добавить слагаемое ?2pmd в правую часть (2-13). Из-за небольшой величины ?pmd может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью, рис. 2.11 а. Однако на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод, рис. 2.11 б.

Избыточный уровень ?pmd, проявляясь вместе с чирпированным модулированным сигналом от лазера, а также поляризационной зависимостью потерь, может приводить к временным колебаниям амплитуды аналогового видеосигнала. В результате ухудшается качество изображения, или появляются диагональные полосы на телевизионном экране. При передаче цифрового сигнала высокой полосы (>2,4 Гбит/с) из-за наличия ?pmd может возрастать битовая скорость появления ошибок.

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.

Пример 2.6. Оценить расстояние L0 , при котором хроматическая ?chr и поляризационная модовая дисперсии ?pmd сравниваются по величине, если коэффициент хроматической дисперсии  T = 2 пс/(нм*км), коэффициент поляризационной модовой дисперсии Т=0,5 пс/vкм, а ширина спектрального излучения ??=0,05 нм.

Приравнивая выражения ?chr =D-AX-L и ?pmd =TvL, находим L0 =(Т/D??)2 =25 км. Если при L > L0 поляризационной модовой дисперсией можно пренебречь, то при L < L0 , наоборот, ее следует строго учитывать. Проблема поляризационной модовой дисперсии возникает при обсуждении проектов построения супермагистралей (>100 Гбит/с) городского масштаба.

Пример 2.7. Оценить максимальное допустимое расстояние оптического сегмента Lmax на которое можно передать одноканальный сигнал с частотой W=100 ГГц без ретрансляции, исходя из ограничений, вносимых поляризационной модовой дисперсией, если коэффициент поляризационной модовой дисперсии Т= 1,0 пс/ vКм.

На основании соотношения (2-16) получаем: ?pmd =TvL<0,44/W. Отсюда Lmax =(0,44/WT)2=(0,44/(100?109?1?10-12))2 км. При Т=0,5пс/vкм расстояние воз­растает до 77 км.

Ведущие фирмы-производители волокна обеспечивают выходной параметр поляризационной модовой дисперсии не выше 0,5. Однако, следует учитывать, что после инсталляции кабельной системы значение этого параметра возрастает.