Затухание оптических волокон

Затухание и дисперсия в ОВ

При передаче импульсных сигналов по ОВ их амплитуда уменьшается и искажается форма (они уширяются). Ограничение дальности связи по ОК, также как и по металлическим кабелям, обуславливается затуханием и ограничением полосы частот (F) (дисперсией) передаваемого импульсного сигнала (рисунок). Затухание приводит к уменьшению амплитуды передаваемого сигнала на выходе ОВ, а дисперсия приводит к уширению (размыванию) импульсных сигналов. Зависимость затухания и дисперсии от электрических параметров среды можно получить, рассматривая распространение в ней плоских волн.

Влияние затухания и полосы пропускания световода на форму импульсов

 

Затухание оптических волокон

Одним из факторов, ограничивающих дальность оптической связи, является затухание сигналов. Кварцевое стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки для изменения показателя преломления сердцевины или оболочки ОВ, что вызывает потери мощности сигнала на поглощение и рассеяние. Германий и фосфор увеличивают показатель преломления кварцевого стекла, а бор и фтор — наоборот уменьшают его.

Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационным и участками или повторителями.

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощении; потери на рассеянии; кабельные потери.

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями (рисунок).

Рассмотрим более подробно эти параметры. Затухание в ОВ - это мера ослабления оптической мощности, рас­пространяемой вдоль ОВ между двумя его попе­речными сечениями на данной длине волны. Затухание в ОВ выражается в децибеллах [дБ].

Коэффициент затухания ОВ - это величина за­тухания на единице длины волокна, выражается в дБ/км.

Коэффициент затухания ОВ обуславливается собственными потерями волокна и выражается в виде

α= α_рр + α_пм + α_ик + α_пр,

где α_рр, α_пм, α_ик, α_пр - составляющие коэффициента затухания за счет Рэлеевского рассеяния, поглощения в материале волокна, инфракрасного поглощения и поглощения на примесях оптического волокна, соответственно.

Таким образом, коэффициент затухания в ОВ определяется двумя факторами: рассеянием энергии в окружаю­щее пространство α_рр и потерями энергии в материале волокна α_пм.

Собственные затухания. Общие потери на поглощение в ОВ определя­ются формулой

α_п = α_пм + α_ик + α_пр.

Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется рисунком ниже. Часть мощности, поступающей на вход световода Р_вх, рас­сеивается из-за изменения направления распространяемых лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство α_рр, другая часть мощности поглощается материалом оптического волокна α_пм, в виде поляризации диполей ОВ, по­сторонними примесями, что проявляется в виде Джоулева тепла α_пр. В результате мощность на выходе Р_вых уменьшается.

Механизм основных потерь в световодах: α_рр - рассеяние на нерегулярностях; α_пр - поглощение из-за примесей; α_пм - поглощение в материале волокна

 

Затухания из-за поглощения энергии в материале ОВ. Потери на поглощение существенно зависят от чистоты мате­риала и при наличии посторонних примесей могут быть значитель­ными. Потери на рассеяние лимитируют предел минимально допус­тимых потерь в ОВ.

При поглощении происходит преобразование световой энергии в тепловую. Потери на поглощение состоят из собственного поглоще­ния в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра и поглоще­ния световых квантов ионами металлов переходной группы (железа, кобальта, хрома, никеля, меди) и ионами гидроксильных групп, представляющих вредные примеси в плавленом кварцевом стекле, из которого изготовляют волокна.

Примесное поглощение для разных стекол, в зависимости от валентного состояния, изменяется. Так ионы металлов переходной группы, присутствующие в стекле, имеют электронные переходы в области длин волн (0,5 ÷ 1,0) мкм и вызывают соответствующие полосы поглощения. Пики поглощения за счет ионов металлов очень широкие.

Другой существенной в отношении поглощения примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН^-. На содержание ионов ОН^- в стекле влияет процесс его изготовления. Ей соответствует ярко выраженный максимум поглощения в районе длины волны 1480 нм. Он присутствует всегда. Поэтому область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется. Тем не менее, следует отметить, что уже к 1970 году изготавливаемое ОВ становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое Рэлеевское рассеяние света.

Затухания из-за Рэлеевского рассеяния света. Рассеяние, с одной стороны, обусловлено неоднородностями материала ОВ, размеры которых меньше длины волны, а с другой - тепловыми флуктуациями показателя преломления.

Рассеяние света принципиально неустранимо и вносит свой вклад в затухание ОВ даже в том случае, когда потери света на по­глощение равны нулю.

Процесс рассеяния сводится к генерации вторичных волн молеку­лами или частицами под действием падающего на них излучения. Если линейные размеры частицы меньше, чем примерно 1/15 длины волны, то рассеяние называется Рэлеевским. Эффект Рэлеевского рассеяния проявляется в том, что при распространении световых лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления (в одно­родной среде от прямолинейного направления). При этом угол паде­ния луча на границу сердцевина-оболочка может стать меньше угла полного внутреннего отражения, и луч выйдет из волокна. По анало­гичной причине часть лучей может начать распространяться в обрат­ном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно про­порциональна четвертой степени длины волны. Поэтому при передаче световых сигналов предпочтительно использовать более длинные вол­ны в районе 1,55 мкм.

В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые ОВ, область эффективного использова­ния которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. При даль­нейшем увеличении длины волны из-за значительных величин α_ик в ОВ проводится замена кварца на другие материалы. В частности, сообщается об испытаниях фирмой «Хьюз Эйркрафт» волокон, вы­полненных из поликристалла бромистого и бромойодистого таллия и имеющих на длинах волн 4...5 мкм коэффициент затухания равный 0,01 дБ/км.

На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галоидные, халькогенидные и фтористые стекла.

Дополнительные кабельные затухания. Также к затуханию относятся собственные потери волокна, а также в волокнах появляются дополнительные, или кабельные потери (рассматривали макро- и микропотери).

Дополнительные потери определяются в основном процессами рассеяния энергии на неоднородностях, возникающих вследствие перечисленных влияний, и частично увеличением потерь на поглощение энергии. Причинами увеличения потерь на поглощение являются остаточные осевые и поперечные напряжения в ОВ, могущие возникнуть при изготовлении кабеля.

В ряде случаев микроизгибы могут существенно влиять на прирост α_к. Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться в пределах (0,01÷0,1) дБ. Основными причинами появления микроизгибов являются локальные неосесимметричные механические усилия различного происхождения, приложенные к очень малым участкам ОВ. Особенностями микроизгибов является то, что они, как правило, многочисленны, расстояние между соседними микроизгибами существенно больше их размера. Общий вклад потерь, создаваемых микроизгибами, может быть значителен. Вследствие микроизгиба происходит ограничение апертурного угла излучения, распространяющегося по ОВ, и часть энергии излучается из ОВ.

Дисперсия

Модовая дисперсия - различие скоростей распространения направляемых мод (большое число мод). Модовая дисперсия преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Расчетные соотношения для указанной дисперсии наглядно и про­сто получаются при лучевом подходе. Следует раздельно рассматривать процесс возникновения модовой дисперсии в ступенчатых и градиентных волокнах. Уширение импульса, переда­ваемого по ОВ, за счет модовой дисперсии в этом случае определяется как разность длин пути лучей, распространяющихся по наи­кратчайшей и наидлиннейшей траекториям. Лучи света, введенные в ОВ со ступенчатым профилем под углом к оси (рисунок), из-за многократных внутренних отражений на границе сердцевина-оболоч­ка проходят более длинный путь по сравнению с лучами, распрост­раняющимися вдоль оси ОВ.

Кратчайший и длиннейший путь луча в оптическом волокне со ступенчатым профилем

Отсюда уширение импульса

где (п₁-п₂)/п₂ = Δп/п₂ = Δ.

Как видно из выражения, уширение импульсов тем меньше, чем меньше относительная разность Δ коэффициентов преломления сердцевины и оболочки ОВ. Из этой же формулы следует, что модовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна. Однако последнее спра­ведливо только при отсутствии взаимодействия между модами. В реальных световодах при значительных длинах линии такое предполо­жение ведет к большим погрешностям расчета модовой дисперсии. Связь между модами в реальном ОВ, вызванная неоднородностями показателя преломления, нерегулярностями геометрических размеров, на­пряжениями изгиба и растяжения, микротрещинами, разъемными и не­разъемными соединениями отрезков ОВ, всегда имеет место и проявляется обменом энергии между модами. При лучевом подходе это эквивалентно изме­нению углов наклона лучей к оси световода при их распрост­ранении вдоль него.

У входного торца световода наблюдается довольно интенсивное излучение мод, и соответственно стабилизируется модовая структура в сердечнике световода. При этом лишь на некотором расстоянии от вход­ного торца световода, называемом длиной установившейся связи между модами (L_у), наступает относительно постоянное (равновесное) распреде­ление мод, не зависящее от условий ввода излучения в световод.

Модовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траекторий изменяется. Так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а удаленных – естественно, больше. Следовательно, лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время распространения лучей выравнивается и увеличение длительности импульса становится меньше. При этом время распространения оптических лучей определяется законом изменения показателя преломления и при определенных условиях выравнивается, что, естественно, влечет к уменьшению дисперсии.

В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия и она достигает больших значений (20-50нс/км).

Модовая дисперсия может быть уменьшена следующими тремя способами:

· использованием ОВ с меньшим диаметром сердцевины, поддерживающей меньшее количество мод. Например, сердцевина диаметром 50 мкм поддерживает меньшее число мод, чем сердцевина в 100 мкм;

· использованием волокна со сглаженным ППП, чтобы световые лучи, распространяющиеся по более длинным траекториям, имели большую скорость и достигали противоположного конца волокна в тот же момент времени, что и лучи, распространяющиеся по коротким траекториям;

· использованием одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

Хроматическая дисперсия (во многих текстах материальная и хромати­ческая дисперсии на разделяются).

Хроматическая дисперсия обусловлена некогерентностью источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (Δλ). Механизм появления хроматической дисперсии удобно описать с помощью преобразований Фурье.

Хроматическая дисперсия, в свою очередь, делится на материальную, волноводную и профильную (для реальных волокон).

Взятые вместе, матери­альная дисперсия (D_м) и волноводная дисперсия (D_W) дают то, что носит название хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия измеряется в пикосекундах/нанометр-километр (пс/(нм · км), тоже что и пс/нм/км). Это уширение в пс, происходящее в импульсе шириной в 1 нм при про­хождении по волокну длиной в 1 км.

Нас, фактически, интересует дисперсионный параметр D, выраженный в пс/нм/км:

D = D_M+D_W. (4.3)

Хроматическая дисперсия линии передачи накапливается с ростом прой­денного расстояния, это характеризуется изменением групповой задержки, отнесенным к единичной длине волны (пс/нм). Хроматическая дисперсия линии передачи чувствительна к:

· увеличению числа звеньев тандемного соединения и длиной линии пе­редачи;

· увеличению скорости передачи (заметим, что увеличение скорости пе­редачи увеличивает скорость модуляции лазера, увеличивая, тем са­мым, ширину боковых полос).

В системах WDM на хроматическую дисперсию оказывает влияние (хотя и не столь существенное):

· уменьшение шага между каналами;

· увеличение числа каналов.

Влияние хроматической дисперсии уменьшается:

· с уменьшением абсолютной величины хроматической дисперсии волокна (уменьшение величины D);

· при использовании компенсации дисперсии.

Управление хроматической дисперсией особенно критично в системах WDN.

Материальная дисперсия.

Материальная дисперсия (D_М) вызвана тем, что различные длины волн про­ходят через определенные материалы с различными скоростями. Материальная дисперсия, или дисперсия материала, зависит (для прозрачного материала) от частоты ω (или длины волны λ) и материала ОВ, в качестве которого, как правило, используется кварцевое стекло.

Все стекло, включая то, что используется для производства ОВ, демон­стрирует материальную дисперсию, потому что его коэффициент преломле­ния изменяется с длиной волны.

Материальная дисперсия является основным механизмом, влияющим на хроматическую дис­персию в одномодовых и градиентных многомодовых волокнах.

Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход (светоизлучающий диод – СИД или лазерный диод -ЛД), формирует световые импульсы, имеющие непрерывный волновой спектр определенной ширины (например, для СИД это примерно 35-60 нм, для многомодовых ЛД (ММЛД) – 2-5 нм, для одномодовых ЛД (ОМЛД) – 0,01-0,02 нм).

Влияние материальной дисперсии

Показатель преломления изменяется от длины волны. При этом уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, инжектируемого в волокно (как правило, источник излучает несколько длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника. В области 850 нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн. Волны длиной 860 нм распространяются быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. В области 1550 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм, (рисунок).

Скорости распространения длин волн

Длина стрелок соответствует скорости длин волн, следовательно, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению.

Если источник излучения имеет ширину спектра Δλ, относительно λ, то уширение импульса

где

— удельная дисперсия материала.

Волноводная дисперсия.

Когда одномодовое волокно вытягивается из стекла, геометрическая форма и профиль коэффициента преломления вносят суще­ственный вклад в волновую зависимость скорости импульса, распространя­ющегося по волокну, т.е. в волноводную дисперсию.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Волноводная дисперсия — это расширение импульса, происходя­щее при ограничении света направляющей структурой (волокном). Тогда как почти вся световая энергия в многомодовом волокне скон­центрирована в относительно большой сердцевине, в одномодовых волокнах свет распространяется и в сердцевине и в оболочке. Един­ственная направляемая мода поэтому может рассматриваться как рас­пространяющаяся со скоростью, определяемой эффективным показа­телем преломления, большим чем показатель оболочки, но меньшим показателя сердцевины. Так как диаметр модового поля увеличива­ется с ростом длины волны, то все больше энергии распространяется в оболочке с малым показателем преломления. В результате получа­ется расширение импульса, зависящее от структуры волокна, т.е. — волноводная дисперсия. В волокне волна распространяется в двух средах – частично в сердцевине, а частично – кварцевой оболочке, и для нее показатель преломления принимает некое среднее значение между значением показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки, (рисунок).

Возникновение волноводной дисперсии

В дисперсионной среде фазовая скорость распространения направ­ляемых мод в пределах спектра излучения источника неодинакова, что приводит к различной временной задержке частотных составля­ющих этих мод. Рассматриваемая составляющая дисперсии обуслов­лена волноводными свойствами волокна в предположении, что зна­чения n₁ и n₂не зависят от λ, и уширение импульса

τ_в= λLB(λ), где В(λ) — удельная волноводная дисперсия.

Профильная дисперсия

В реальных ОВ, которые могут быть регулярными (например, с регулярной, геликоидальной структурой), нерегулярными (например, нерегулярное изменение границы раздела электрических сред) и неоднородными (например, наличие инородных частиц). Помимо перечисленных выше материальной и волновой составляющих дисперсии присутствует также профильная составляющая. К примерам ее возникновения относятся поперечные и продольные малые отклонения (флуктуации) геометрических размеров и формы волокна, например: небольшие эллиптичности поперечного сечения волокна; изменения границ профиля показателя преломления (ППП); осевые и внеосевые провалы ППП, вызванные особенностями технологии изготовления ОВ.

Продольные флуктуации могут возникать в процессе изготовления ОВ и ОК, строительства и эксплуатации ВОЛС. В ряде случаев профильная дисперсия может оказать существенное влияние на общую дисперсию. Профильная дисперсия может появляться как в многомодовых, так и в одномодовых ОВ.

Величина уширения из-за профильной дисперсии τ_пр может быть оценена по формуле

где n –эффективный показатель преломления [ ]; b –нормированная постоянная распространения; m₁ –групповой показатель преломления сердцевины; Г –коэффициент локализации по мощности; v –нормированная частота; с₀ –скорость света; ; n₁ и n₂ –показатели преломления сердцевины и оболочки; λ –длина передаваемой волны; L – длина линии.

Это выражение справедливо для одномодовых волокон при реальной флуктуации границы раздела ППП. При наличии других внешних влияющих факторов ее величина может значительно увеличиваться.

Удельная профильная дисперсия, выражается в пикосекундах на километр длины световода и на нанометр ширины спектра.

Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой, материальной, волноводной и профильной дисперсий определяется выражением