Глава 3. Процессы, происходящие в оптическом волокне, и их

влияние на скорость и дальность передачи информации

3.1. Затухание оптического волокна

По мере распространения света в оптической среде он ослабевает, что

носит название затухания среды — затухания ОВ. Затухание зависит от длины

волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передача сигналов

по волокну осуществляется в трех диапазонах: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм, так

как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Затухание

(рис. 3.1) обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение

и на рассеяние излучения в оптическом волокне [5]:

- рэлеевское рассеяние;

- рассеяние на дефектах волокна;

- собственное поглощение кварцевого стекла;

- примесное поглощение;

- поглощение на микро и макроизгибах.

Рис. 3.1. Затухание.

Степень потерь определяется коэффициентом затухания [pic], который в

общем виде равен:

[pic] (3.1.1)

где [pic] — коэффициент затухания, обусловленный потерями на

поглощение световой энергии. Собственное поглощение кварцевого стекла

определяется поглощением фотонов при котором энергия фотона переходит в

энергию электронов или в колебательную энергию решетки. Спектр собственного

электронного поглощения кварцевого стекла лежит в ультрафиолетовой области

([pic] < 0,4 мкм). Спектр поглощения решетки лежит в инфракрасной области

([pic] > 7 мкм). Поскольку структура кварцевого стекла аморфная, полосы

поглощения имеют размытые границы, а их «хвосты» заходят в видимую область

спектра. Во втором и третьем окнах прозрачности в ди8=]апазоне длин волн

1,3-1,6 мкм потери, вызванные собственным поглощением, имеют порядок 0,03

дБ/км.

[pic]— коэффициент затухания, обусловленный рэлеевским рассеиванием

на неоднородностях материала ОВ, размеры которых значительно меньше длины

световой волны, и тепловыми флуктуациями показателя преломления. Этот вид

рассеяния определяет теоретическую границу, ниже которой затухание не может

быть уменьшено и в современных ОВ является основным источником потерь в

рабочих областях спектра. Рэлеевское рассеяние вызывается рассеянием на

неоднородностях показателя преломления, возникших в расплавленном кварце в

связи с локальными термодинамическими флуктуациями концентрации молекул

(плотности) кварца из-за их хаотического движения в расплавленном

состоянии. При затвердевании волокна неоднородности, возникшие в

расплавленной фазе, застывают в структуре кварцевого стекла. Колебания

плотности приводят к случайным флуктуациям показателя преломления в

масштабе, меньшем, чем длина световой волны [pic].

[pic]— коэффициент затухания, вызванный присутствующими в ОВ

примесями, приводящими к дополнительному поглощению оптической мощности,

это ионы металлов (Fe, Cu, Ni, Mn, Cr), вызывающие поглощение в диапазоне

длин волн 0,6-1,6 мкм, и гидроксильные группы (ОН), из-за которых

появляются резонансные всплески затухания [pic] на длинах волн 0,75 мкм, 0,

97 мкм и 1,39 мкм.

[pic] — дополнительные потери, определяемые деформацией ОВ в

процессе изготовления кабеля, вызванной скруткой, изгибом, отклонением от

прямолинейного расположения и термомеханическими воздействиями, имеющими

место при наложении оболочек и покрытий на сердцевину волокна при

изготовлении ОК (их называют кабельными).

[pic]— коэффициент затухания, зависящий от длины волны оптического

излучения и за счет поглощения в инфракрасной области возрастающий в

показательной степени с ростом длины волны.

В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые

ОВ, область эффективного использования которых находится в диапазоне длин

волн до 2 мкм. На более длинных волнах в качестве материала для волокна

используются галоидные, халькогенидные и фторидные стекла. По сравнению с

кварцевыми волокнами они обладают большей прозрачностью и обеспечивают

снижение потерь на несколько порядков. С появлением ОВ из новых материалов

становится реальным создание ВОЛС без ретрансляторов.

Затухание оптического волновода учитывается при расчете

энергетического бюджета.

Затухание оптоволоконной линии с учетом потерь на разъемных

соединениях и сростках (неразъемных соединениях) определяется по формуле:

[pic] (3.1.2)

где [pic] и [pic] - значение потерь на сростке и разъеме

соответственно, [pic] и [pic] - количество сростков и разъемных соединений

на протяжении оптоволоконной линии длиной L, [pic] - километрический

коэффициент затухания оптического волокна, измеряемый в дБ/км.

Тогда энергетический бюджет рассчитывается по формуле:

[pic] (3.1.3)

где [pic] и [pic]- мощность источника оптического излучения и

чувствительность фотоприемника в дБ соответственно; [pic] и [pic] -

эксплуатационный запас для аппаратуры и для кабеля, (дБ), которые берутся

из технических условий (контрактных спецификаций) для оборудования ВОЛС.

3.2. Дисперсия

Световой сигнал в цифровых системах передачи поступает в световод

импульсами, которые вследствие некогерентности реальных источников

излучения содержат составляющие с различной частотой. Уширение светового

импульса, вызываемое различием времени распространения его спектральных и

поляризационных компонент, и называется дисперсией.

Световая волна, распространяющаяся вдоль направления x, описывается

уравнением:

[pic] (3.2.1)

где А - амплитуда световой волны; [pic]- ее угловая частота, k -

волновое число.

Если взять фиксированное значение фазы волны:

[pic]=const, (3.2.2)

то скорость перемещения фазы в пространстве или фазовая скорость

будет:

[pic]. (3.2.3)

Световой импульс, распространяющийся в ОВ представляет собой

суперпозицию электромагнитных волн с частотами, заключенными в интервале

?[pic], которая называется группой волн вида (3.2.1). В момент времени t в

разных точках для разных x волны будут усиливать друг друга, что приводит к

появлению максимума интенсивности группы волн (центр группы волн), или

ослаблять. Центр группы волн перемещается со скоростью:

[pic],

(3.2.4)

называемой групповой. Заменив k=2?/? и выразив [pic], получим

соотношение, выражающее зависимость групповой скорости от длины волны:

[pic]. (3.2.5)

Это и является причиной, приводящей к различию скоростей

распространения частотных составляющих излучаемого спектра по оптическому

волокну. В результате по мере распространения по оптическому волокну

частотные составляющие достигают приемника в разное время. Вследствие этого

импульсный сигнал на выходе ОВ видоизменяется, становясь «размытым». Это

явление называется волноводной дисперсией, определяемой показателем

преломления ОВ и шириной спектра излучения источника ?? и имеющей

размерность времени [5]:

[pic] (3.2.6)

где ? - относительная разность показателей преломления сердцевины и

оболочки, L - длина ОВ, [pic]- коэффициент волноводной дисперсии,

называемый удельной волноводной дисперсией. Зависимость удельной

волноводной дисперсии от длины волны показана на рис. 3.2.

Скорость распространения волны зависит не только от частоты, но и от

среды распространения. Для объяснения этого явления электроны внутри атомов

и молекул рассматриваются в теории дисперсии квазиупруго связанными. При

прохождении через вещество световой волны каждый электрон оказывается под

воздействием электрической силы и начинает совершать вынужденные колебания.

Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся со

скоростью с, которые, складываясь с первичной, образуют результирующую

волну. Эта результирующая волна распространяется в веществе с фазовой

скоростью v, причем, чем ближе частота первичной волны к собственной

частоте электронов, тем сильнее будут вынужденные колебания электронов и

различие между v и c будет больше, что объясняет зависимость [pic]. В

результате смещения электронов из положений равновесия молекула вещества

приобретает электрический дипольный момент. То есть при взаимодействии

электромагнитной волны со связанными электронами отклик среды зависит от

частоты светового импульса, что и определает зависимость показателя

преломления от длины волны, которая характеризует дисперсионные свойства

оптических материалов:

[pic], (3.2.7)

где N - плотность частиц (число частиц в единице объема), m и е –

масса и заряд электрона соответственно, [pic] - резонансные длины волн,

[pic] - вынуждающие осцилляции электрические силы. В широком спектральном

диапазоне, включающем обычный ультрафиолет, видимую область и ближнюю

инфракрасную область, кварцевое стекло прозрачно и данная формула Солмейера

применима с очень высокой точностью [5, 7].

Явление, возникновение которого связано с характерными частотами, на

которых среда поглощает электромагнитное излучение вследствие осцилляции

связанных электронов, и которое определяет уширение длительности светового

импульса после его прохождения через дисперсионную среду, называется в

технике волоконно-оптической связи материальной дисперсией [5]:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11