Фізичні параметри оптичних волокон

 

 

Принцип роботи оптоволоконної лінії не складний: джерелом розповсюджуваного по оптичним кабелям світла є світлодіод (або напівпровідниковий лазер), а кодування інформації здійснюється дворівневою зміною інтенсивності світла (0-1). На іншому кінці кабелю приймач детектор перетворює світлові сигнали в електричні.

Для передачі інформації треба не тільки створити світлову хвилю, але і зберегти і направити її в потрібному напрямку. В однорідному середовищі світло (електромагнітна хвиля) поширюється прямолінійно, але на кордоні зміни щільності середовища по оптичним законам відбувається зміна напрямку (віддзеркалення) або переломлення.

У використовуваних в даний час схемах промінь від світлодіода або лазера впускають в більш щільну середу, обмежену менш щільною. При правильному підборі матеріалів, відбувається ефект повного віддзеркалення (переломлення відсутня). Таким чином, сигнал "йде" всередині замкнутої середовища, проробляючи шлях від джерела сигналу до його приймача.

Інші елементи кабелю тільки спосіб захистити крихке волокно від пошкоджень зовнішнім середовищем різної агресивності. Зовнішній діаметр оболонки уніфікований для всіх типів кабелів і становить 125 ± 2 мкм. В цей розмір також входить і шар лаку, який служить захистом від вологи і пов'язаної з нею корозії.

Первинну механічну міцність і гнучкість конструкції надає захисне покриття з епоксіакріолата, зване буфером, для зручності монтажу його фарбують в різні кольори. Товщина покриття складає 250 ± 15 мкм. Крім цього, для кращого захисту волокна і більш зручного монтажу роз'ємів часто застосовуються конструкції з вторинним буфером діаметром 900 мкм, який без зазору покладений на первинний.

Розглянемо детальніше оптичні параметри волокна. Всі поширені типи волокон характеризуються двома найважливішими параметрами: загасанням і дисперсією.

 

Загасання характеризує втрату потужності переданого сигналу на заданій відстані, і вимірюється в дБ/км, де Децибел - логарифмічний вираз відносини потужності, що виходить з джерела Р1, до потужності, що входить в приймач Р2, дв = 10 * log (P1/P2). Втрати в 3 дБ означає, що половина потужності втрачена. Втрата 10 дБ означає, що тільки 1/10 потужності джерела доходить до приймача, втрати 90%. Волоконно-оптичні лінії як правило здатні нормально функціонувати при втратах в 30 дБ (прийом всього 1/1000 потужності).

Є два принципово різних фізичних механізмів, що викликають даний ефект.

 

Втрати на поглинання. Пов'язані з перетворенням одного виду енергії в інший. Електромагнітна хвиля певної довжини викликає в деяких хімічних елементах зміну орбіт електронів, що, в свою чергу, веде до нагрівання волокна. Природно, що процес поглинання хвилі тим менше, чим менше її довжина, і чим чистіше матеріал волокна.

 

Втрати на розсіювання. Причина зниження потужності сигналу в цьому випадку - означає вихід частини світлового потоку з хвилеводу. Обумовлено це зазвичай неоднорідностями показника заломлення матеріалів. Відомо, що зі зменшенням довжини хвилі втрати розсіювання зростають.

 

Вікна прозорості оптичних волокон

 

 

У теорії, найкращих показників загального загасання можна досягти на перетині кривих поглинання і розсіювання. Реальність дещо складніше, і пов'язана з хімічним складом середовища. У кварцових волокнах (SiO2) кремній і кисень виявляють активність на певній довжині хвилі, і істотно погіршують прозорість матеріалу в двох околицях.

В результаті утворюються три вікна прозорості, в рамках яких загасання має найменше значення.

Найпоширеніші значення довжини хвилі:

• 0.85 мкм;
• 1.3 мкм;
• 1.55 мкм.

Зрозуміло, що саме під такі діапазони розроблені спеціальні гетеролазери, на яких ґрунтуються сучасні волоконно-оптичні лінії зв'язку.

Треба відзначити, що вплив частоти сигналу на реальні технології сьогоднішнього дня дуже велике. Для прикладу, інфрачервоний промінь проходить в волокні з невеликим загасанням 10 км, червоне світло (довжина хвилі 0,65 мкм) пройде лише 0,5 км, а синій (0,43 мкм) взагалі менше 50 м.

 

Оптичний бюджет

Кожен компонент оптоволоконної лінії має свою величину оптичних втрат. Допустимі втрати оптичного сигналу на всьому шляху від передавача до приймача часто називають оптичним бюджетом. Розраховується він на підставі інформації, наданої виробником обладнання.

 

Спрощено можна уявити собі розрахунок оптичного бюджету у вигляді такої схеми:

 

Оптичний бюджет

 

 

Дисперсія

Другий важливий параметр оптичного волокна - дисперсія. Він означає розсіювання в часі спектральних і модових складових оптичного сигналу. Існують три типи дисперсії: міжмодова, матеріальна і міжчастотна.

 

Міжмодова дисперсія обумовлена ​​неідеальністю сучасних джерел світла, які випускають хвилі в декількох напрямках, і далі вони проходять по різних траєкторіях (інакше кажучи - матимуть різні моди). Як наслідок, промені досягнуть приймача в різні моменти часу.

Матеріальна дисперсія обумовлена ​​залежністю показника заломлення від довжини хвилі. Якщо розподіл щільності волокна буде нерівномірним, то хвилі, що проходять шлях по різних траєкторіях, матимуть різні швидкості поширення. І, відповідно, потрапляти в приймач в різний час.

Міжчастотна дисперсія. Джерела випромінювання не ідеальні, і випускають хвилі різної довжини. У кварцовому склі коротші хвилі поширюються швидше, а отже досягають кінця світловоду в різні моменти часу.

Всі види дисперсії негативно впливають на пропускну здатність оптоволоконного каналу. Так як в даний час використовуються тільки цифрові способи передачі інформації, то світловий сигнал надходить з передавача імпульсами. І чим сильніше розмитий за часом імпульс на виході (ефект дисперсії), тим складніше його правильний прийом. Інакше кажучи, дисперсія накладає обмеження на дальність передачі і на верхню частоту переданих сигналів.

При оцінці користуються терміном "смуга пропускання", який розуміється як величина, обернена до розширення імпульсу при його проходженні через оптичне волокно відстані в 1 км. Вимірюється смуга пропускання в МГц*км.

Спеціально потрібно відзначити, що втрати, викликані загасанням і дисперсією, рівномірно розподіляються по всій довжині кабелю. Будь-які перешкоди відсутні, якщо не брати до уваги системи з частотним ущільненням, які в недорогих мережах ще довго не отримають поширення.