Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

5. Телекоммуникационные ОВ

5.1.1. ОВ типа "кварц-кварц"

В настоящее время многомодовые ОВ применяются в основном в локальных вычислительных сетях и в линиях с низкой скоростью передачи данных . Стандартные многомодовые волокна были рассчитаны на применение со светодиодами – наиболее надежными и дешевыми полупроводниковыми источниками излучения. Многомодовые кварцевые световоды со ступенчатым профилем ПП были исторически первым типом волокна (1974-1975 г.), которые нашли практическое применение в волоконно-оптических линиях связи. Специально для работы в стандарте Gigabit Ethernet были разработаны волокна с более высоким коэффициентом широкополосности. Они используются совместно с лазерами, т.к. светодиоды не обладают быстродействием, необходимым для работы в стандарте Gigabit Ethernet.

         Согласно лучевой теории свет, распространяющийся в волокне, можно представить в виде суммы плоских волн, изображаемых в виде лучей, образующих конус. Причем чем выше номер моды, тем больше угол раствора лучей, образующих этот конус (рис. 5.2). Хотя моду можно представить только полным набором таких лучей, ее часто изображают одним лучом. Число мод, распространяющихся в многомодовом ОВ со ступенчатым профилем ПП определяется уравнением:

N = V2/2                                                    (5.1),

где V – так называемая  нормализованная частота, равная

                                 (5.2),

где dсер. – диаметр сердцевины в волокне, l - длина волны, NA - числовая апертура волокна, n - ПП кварцевого стекла, Dn – разность ПП материалов сердцевины и светоотражающей оболочки.

Рис. 5.2. Лучи, формирующие первую и вторую моды волокна. Угол наклона лучей во второй моде больше, чем в первой, и они глубже проникают в оболочку.

         В цифровых линиях ВОСПИ свет распространяется в волокне в виде последовательности импульсов, скорость распространения которых определяется групповой скоростью. Эта последовательность импульсов переносится одновременно всеми модами и, соответственно, образующими их лучами. Так как угол наклона лучей, образующих более высокую моду, больше, чем у лучей, образующих более низкую моду, то высшие моды запаздывают сильнее (проходят как бы больший путь, что видно на рис. 5.2.). Поэтому в многомодовом ОВ импульсы, передаваемые разными модами, испытывают уширение и могут накладываться друг на друга. Этот механизм уширения импульсов называется межмодовой дисперсией (см. гл. 1). Для уменьшения межмодовой дисперсии используют градиентный профиль ПП в сердцевине, который записывается как (1.18). Траектория меридиональных лучей в градиентном волокне показана на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Траектории меридиональных лучей в градиентном волокне: 1 – светоотражающая оболочка, 2 – лучи, соответствующие высшей моде, 3 -  лучи, соответствующие низшей моде. Числовая апертура NA = n0×sinα

Лучи, соответствующие основной (первой) моде волокна, проходят кратчайший путь, но с наименьшей скоростью, т.к. распространяются вблизи оси волокна, где ПП сердцевины максимален. Лучи, соответствующие высшим модам, проходят по более длинным траекториям, но с большей скорость., т.к. проходят по областям с меньшим ПП. В результате, несмотря на разную длину траекторий, лучи проходят их за одинаковое время. Число мод, распространяющихся в градиентном многомодовом ОВ, определяется как:

N = V2/4                                           (5.3),

т.е. в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым профилем ПП при одинаковых значениях максимальной разности ПП сердцевины и оболочки.

         Провал в центре профиля ПП сердцевины характерен для ОВ, заготовки которых получены методами MCVD, OVD, PMCVD, PCVD, и обусловлен испарением легирующих компонентов во время сжатия трубки с осажденными слоями в штабик-заготовку. Наличие этого провала приводит к тому, что в волокне возбуждаются одновременно моды и наиболее низкого, и наиболее высокого порядка при использовании лазерного диода в качестве источника излучения. Так как эти моды распространяются с разными скоростями, то возникает так называемый эффект дифференциальной модовой задержки, приводящий к расщеплению импульсов. Устранить это расщепление импульсов можно, сместив на 10-20 мкм место ввода излучения от оси волокна. Это смещение осуществляется с помощью специальных шнуров MCP (Mode Conduction Patchcord). Волокна без провала в центре профиля ПП, полученные, например, методом VAD, соединяются с лазером в системе Gigabit Ethernet непосредственно без использования шнуров MCP. В качестве источников излучения в этой системе регламентируется использовать плоскостные полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL), работающие в диапазоне 0,85 мкм.

         Максимальная широкополосность многомодовых градиентных ОВ, строго говоря, достигается только на одной длине волны, т.к. степенной параметр (u) в уравнении (1.18) зависит как от материала сердцевины, так и от рабочей длины волны. При производстве новых типов волокон координату максимума сдвигают в сторону коротких волн (рис. 5.4), что приводит нетолько к увеличению коэффициентов широкополосности ОВ в первом окне прозрачности (l ~ 0,85 мкм), но и делает тракт более универсальным, вырав нивая значения этих коэффициентов в первом и втором (l ~ 1,3 мкм) окнах

прозрачности.

Рис. 5.4. Спектральные характеристики коэффициента широкополосности градиентных выолокон: 1 – стандартное волокно, 2 – широкополосное волокно

В таблице 5.1. даны стандартные спецификации градиентного многомодового ОВ.

Таблица 5.1.

Стандартные спецификации градиентного многомодового ОВ.

  Диаметр

сердцевины,

       мкм

       Потери, дБ/км 

       Коэффициент

широполосности, МГц*км

l = 0,85 мкм

l = 1,3 мкм

l = 0,85 мкм

l = 1,3 мкм

     62,5

Не более 3,5

Не более 1,5

Не менее 200

Не менее 500

     50

Не более 3,5

Не более 1,5

Не менее 500

Не менее 500


Рис. 5.5. Зависимость стоимости ВОСПИ от длины тракта с многомодовыми (1) и одномодовыми (2) волокнами

Из таблицы 5.1 видно, что и величина потерь и пропускная способность многомодовых ОВ уступает одномодовым ОВ, которые к тому же значительно дешевле. Однако из-за меньшей стоимости оконечной аппаратуры и монтажа линии с многомодовыми ОВ ценовое преимущество одномодового ОВ начинает сказываться только при длинах линии больше 1,5 км (рис. 5.5).



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.