1.1. Общие сведения о ВОСПИ

1.2. Структура и принцип работы оптического волокна

1.3. Механизмы потерь в оптических волокнах

1.3.1. Собственные потери

1.3.2. Изгибные и микроизгибные потери

1.4. Дисперсия сигнала и способы ее уменьшения

Введение

Использование света для передачи информации имеет давнюю историю. Первые сведения об использовании костров в ночное время и знаковых костров в дневное время для передачи информации о нашествии врагов и др. относятся ко времени гибели Трои (1269 г. до н. э.)

В 1794 г. Клод Шапп построил от Парижа до Лилля систему оптического телеграфа из цепи семафорных башен с подвешенными сигнальными рейками. Информация передавалась в течение  ~ 15 минут на расстояние 230 км.

В 1875 Кулибин разработал в России свой семафорный телеграф, использовав более чем в 4 раз меньше число знаков. Телефон Кулибина работал и ночью. Однако все эти системы устарели с изобретением электрического телеграфа и радио Поповым.

Норман Френч получил патент на оптическую телефонную систему, в которой сигналы могут передаваться через сеть оптических кабелей, изготавливаемых из стержней чистого стекла. Однако по-прежнему основная масса информации передавалась либо при использовании электрических сигналов (например, телефон), либо радиоволн.

Дальнейшее развитие система оптической связи получила после создания полупроводниковых лазеров в 1964 г. Лазеры обладают высокой монохроматичностью, когерентностью и имеют очень высокую интенсивность излучения. Эксперименты по передаче световых сигналов по воздуху, осуществленные, в частности, в Москве показали недостаточную надежность связи из-за влияния метеорологических условий: дождь, снег и туман сильно снижали качество связи. Стало ясно, что надо канализировать оптические сигналы. С этой целью был предложен полый световод со сложной системой линз, который на практике оказался трудно реализуемым. Лучше всего для целей оптической связи подходили  стеклянные волокна, однако они имели очень большое затухание.

В 1958 г. советские специалисты Варгин и Войнберг доказали, что светопоглощение стекол обуславливается примесями «красящих» металлов, вносимых шихтой. Экспериментально было показано, что светопоглощение идеально чистого стекла очень мало и лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.

Однако настоящий бум в области технологии стеклянных световодов начался с 1966 г., когда появилась работа английских ученых Као и Хокхема, которые показали, что при удалении примесей «красящих» металлов можно получить стекла с потерями менее 20 дБ/км. Такие световоды можно было использовать уже практически и все страны занялись достижением предельно высокой чистоты материалов.

В 1973 г. сотрудники "Corning" предложили метод химического парофазного осаждения (CVD) для получения заготовки кварцевых волоконных световодов, который был модернизирован сотрудниками “Bell-Labs" и получил название MCVD (modified chemical vapor deposition).Были получены оптические волокна (ОВ) на основе чистого и легированного кварцевого стекла с потерями первоначально 20дБ/км, которые затем быстро снижались (до уровня ~ 0,2 дБ/км в настоящее время). Это послужило началом широко масштабных работ во всем мире по разработке технологии изготовления и использования кварцевых волоконных оптических волокон (ОВ) для волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ). В настоящее время уже проложены сотни миллионов километров волоконно-оптических кабелей (ВОК), содержащих в себе ОВ; проложены около 600 тыс. км подводных линий через Атлантический и Тихий океаны. Практически весь земной шар окольцован ВОСПИ. Столь бурный рост систем передачи информации связан с развитием экономики, ибо по оценкам американских экспертов увеличение объема производства в 2 раза требует увеличения объема передаваемой информации в 4 раза. И здесь большая роль отводится ВОСПИ, т.к. по словам академика В.А. Котельникова "ВОСПИ – это третья революция в системе связи после изобретения, соответственно, электронно-лучевых ламп и полупроводников".

 Рис.1 Динамика роста объема продаж оптического волокна для производства волоконно-оптического кабеля (ВОК) в мире за последние годы    (объемы продаж приведены к длине оптического волокна в кабеле).

В России и странах СНГ производство ВОК составило: в 2000 г.-713,6 тыс. км., в 2001 г. – 860 тыс. км., в 2002 г. – 711 тыс. км

На рис. 1 показана динамика роста объема продаж ОВ для производства ВОК в мире за последние годы. Видно, что в рекордном 2001 г. объем продаж ОВ составил более 100 миллионов км, причем доля России и стран СНГ составила всего ~ 0,8 % от мирового производства. Спад производства ОВ в последующие годы связан с тем, что пропускная способность уже проложенных линий значительно превысила потребности сегодняшнего дня, а именно: объем передаваемой информации на сегодняшний день составляет лишь ~ 30 % от возможностей имеющихся ВОСПИ. Однако поскольку объем передаваемой информации ежегодно увеличивается, депрессия в производстве ОВ заканчивается, более того в 2006 г. наблюдался даже некоторый подъем. Помимо ВОСПИ ОВ в настоящее время находят широкое применение для создания волоконно-оптических датчиков (ВОД) и волоконно-оптических устройств (ВОУ).

В СССР работы по получению  заготовок кварцевых ОВ методом MCVD и вытяжке волокна были начаты практически одновременно в 1974 г. в ИОФ АН и НХВВ АН, а также в ИРЭ АН. На основе теоретических и экспериментальных исследований были разработаны основные типы телекоммуникационных (многомодовых и одномодовых) ОВ с малыми потерями и широкой полосой пропускания, а также специальные типы ОВ. Значительная часть этих разработок была передана в промышленность: в НИЭС, Гусь-Хрустальные заводы технического стекла и им. Дзержинского, ГОИ им. Вавилова и в другие организации, которые освоили их производство. Были созданы первые образцы отечественного оборудования.

В настоящее время основными научными центрами в РФ по разработке новых перспективных типов ОВ являются, прежде всего, вышеперечисленные организации РАН: Научный центр волоконной оптики (НЦВО), Институт химии высокочистых веществ (ИХВВ), Институт радиотехники и электроники (ИРЭ), а также Государственный оптический институт (ГОИ).

1.1. Общие сведения о ВОСПИ

Переход на оптический диапазон длин волн связан с увеличением широкополосности систем с увеличением частоты несущей электромагнитной волны.

На рис. 1.1 приведен электромагнитный спектр, из которого видно, что частота оптического диапазона (10¹² …10¹⁴ Гц) на 6-7 порядков больше диапазона радиоволн (10⁵ …10⁹ Гц). Поскольку звуковой диапазон 10³ ¸ 10⁴ Гц, а для передачи изображения (телевидение) необходимо ~ 10⁸ Гц, то по радиоканалам можно передавать 100…10000 телефонных каналов или несколько телевизионных каналов, а по ОВ в ~ 10⁵ раз больше.

Рис.1.1. Электромагнитный спектр

Термин "свет" имеет в виду не только видимый свет в диапазоне длин волн 400…650 нм (1 нм = 10 ^–9 м), но охватывает спектр излучения от ультрафиолетового (190 нм) до ближнего инфракрасного (~2000 нм).

         На рис. 1.2 приведена в обобщенном виде структурная схема простейшей ВОСПИ. Сообщение в аналоговой или цифровой форме поступает от источника сообщений на преобразователь информации, где формируется первый электрический сигнал. Если передача оптических сигналов осуществляется в цифровом виде, то используется кодер, в котором осуществляется избыточное кодирование для обеспечения требуемой помехоустойчивости, удобств синхронизации приемных устройств и контроля исправности регенераторов. Далее электрическим сигналом осуществляется модуляция оптического излучения, генерируемого источником света (лазером или светодиодом). Это излучение вводится в ОВ, расположенное в ВОК, содержащем в зависимости от конструкции ряд волокон. Оптическое волокно – диэлектрический волновод оптического диапазона с достаточно малым затуханием, который служит для передачи оптического сигнала источника (передатчика) к удаленному приемнику.

В оптическом приемнике выполняются «обратные» преобразования, а именно оптический сигнал преобразуется в электрический. В декодере осуществляется восстановление первичного сигнала, который с помощью преобразователя приобретает необходимую для потребителя информации форму (печатный текст, изображение, звук и т. д.).

Основные преимущества ВОСПИ заключаются в следующем:

широкополосность, т.е большая ширина полосы пропускания, которая достигает для одномодовых ОВ ~ 10 ГГц на одной длине волны;

высокая скорость передачи информации, которая составляла в середине 70-х годов 8 Мбит/с = 8´10⁶ бит/с, а в 2002 г. уже 10,92 Тбит/с = 10,9´10¹² бит/с;

нечувствительность к электромагнитным воздействиям (грозы, радары);

Рис. 1.2. Схема простейшей ВОСПИ: 1 – преобразователь информации, 2 – кодер, 3 – оптический излучатель, 4 – оптическое волокно, 5 – фотоприемник, 6- декодер, 7 – преобразователь

-         малый вес по сравнению с медными проводами, поскольку удельный вес кварцевого стекла составляет ~ 2,2 г/см³, а меди ~ 8,96 г/см³;

-         гибкость ОВ, радиус изгиба может достигать 3 см;

-         экономия дефицитных металлов (Cu, Al, Pb);

-         универсальность, т.е. передача любых видов информации в аналоговом или цифровом виде.

Успех каждого нового поколения ВОСПИ в значительной степени определяется двумя параметрами: скоростью передачи информации (Гбит/с) и расстоянием, на которое эта информация может быть передана (км). Произведение этих параметров называется полной пропускной способностью (ППС) ВОСПИ (Гбит*км/с). В табл. 1.1 показана динамика и классификация ВОСПИ по поколениям с указанием основных качественных признаков.

Из таблицы видно, что за ~ 30 лет полная пропускная способность ВОСПИ выросла почти на 5 порядков.

Таблица 1.1

Динамика развития и классификация ВОСПИ по поколениям.

Рис. 1.3. Структура мирового рынка ВОК по целевому назначению в 1998 г.: 1 – магистральная телефонная связь, 2 – локальные сети, 3 – кабельное телевидение, 4 - прочее

Для примера, на рис. 1.3 приведена структура мирового рынка ВОК по целевому назначению в 1998 г. Эта структура показывает, что основными потребителями ВОК являются магистральные линии и телефонная связь (76 %), а на втором месте находятся локальные линии, включая линии между вычислительными комплексами (11 %).

Рис. 1.4. Ход лучей света на границе раздела двух фаз.

1.2. Структура и принцип работы оптического волокна

Если луч света падает на границу раздела двух фаз (рис.1.4а), то часть света отражается под углом, равным углу падения, а часть света уходит во вторую фазу под углом j_o, величина которого определяется уравнением Снеллиуса:

                                                (1.1),

где n_c и n_o – показатели преломления (ПП) материалов сердцевины и оболочки соответственно. Если n_c > n_o, то j_o > j_c и при увеличении угла падения может наступить момент при j_c = j_k, когда луч не выходит во вторую фазу, а распространяется по границе фаз (рис.1.4 б). При большем угле падения света будет происходить только отражение (рис. 1.4 в). Таким образом, явление полного внутреннего отражения имеет место, когда угол падения больше критического угла равного

                                                              (1.2)

ОВ работает на принципе полного внутреннего отражения поскольку ПП материала сердцевины всегда больше ПП материала оболочки.

Рис. 1.5. Структура оптического волокна: 1 – сердцевина, 2 – светоотражающая оболочка, 3 – защитно-упрочняющее  покрытие

На рис.1.5 приведена структура ОВ, которое состоит из сердцевины (1), светоотражающей оболочки (2) и защитно-упрочняющего покрытия (3). Ход лучей в ОВ со ступенчатым профилем ПП от источника света, распо-ложенного на оси волокна, показан на рис. 1.6. Надо сказать, что профиль

ПП (т.е. радиальное распределение ПП в сечении ОВ) имеет большое значение для распространения света по ОВ. Ступенчатый ПП является простейшим вариантом.

Рис.1.6. Модель ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления

На рис. 1.6 видно, что луч 1, испытывающий полное внутренне отражение, будет распространять по ОВ. Луч 2 выходит в светоотражающую оболочку и, если оптические потери материала этой оболочки велико, то он будет затухать, а если малы, то он может распространяться в этой оболочке (что имеет место в одномодовых ОВ). Луч 3 выходит не только из сердцевины, но и из светоотражающей оболочки и будет затухать либо в окружающей среде, либо в защитной оболочке. Лучи, распространяющиеся по ОВ, называются направляемыми модами, а те лучи, которые выходят наружу, - вытекающими модами или модами излучения. Различают также меридиональные лучи, которые пересекают ось ОВ, и косые лучи, которые не пересекают эту ось (рис.1.7).

Рис. 1.7. Траектория прохождения косого луча в ОВ.

Одной из важнейших характеристик ОВ является его числовая апертура, которая обозначается как NA и вычисляется по уравнению:

                                                              (1.3).

Таким образом, числовая апертура представляет собой телесный угол, в пределах которого находятся лучи, которые могут распространяться по ОВ (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Принцип действия ОВ

1.3. Механизмы потерь в оптических волокнах

Важнейшей характеристикой ОВ являются оптические потери или затухание светового сигнала при его распространении по волокну. Этот параметр определяет длину линии связи между ретрансляторами, которые усиливают ослабленный сигнал. Затухание в ОВ – это мера ослабления оптической мощности, распространяющейся вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны. Затухание выражается в дБ. Коэффициент затухания – это величина затухания на единицу длины волокна (1 км), выражается в дБ/км и записывается как:

                                              (1.4),

где I_вх и I_вых – интенсивности света на входе и на выходе ОВ длиной L. Так, если a=1 дБ/км, то  оптический сигнал ослабевает на ~ 26 % после прохождения через километровый отрезок ОВ, а если a=0,2 дБ/км (типичное значение для одномодовых ОВ на λ=1,55 мкм), то сигнал ослабнет всего на ~ 5 %.

1.3.1. Собственные потери

         Коэффициент затухания в ОВ обуславливается собственными потерями в волокне, потерями на изгибах и микроизгибными потерями. Собственные потери вызваны рассеянием света на неоднородностях в ОВ и поглощением, а записываются обычно в виде:

α_пол = α_рэл+ α_сер+ α_уф+ α_ик+ α_прим+ α_он                           (1.5),

Рис. 1.9.Основные составляющие потерь для кварцевых ОВ: 1 – хвост УФ-поглощения, 2 – многофононное поглощение, 3 – рэлеевское рассеяние, 4 – полные потери

компонентов стекла; a_прим – поглощение, вызываемое примесями переходных ("красящих") металлов (Fe, Cu, Ni, Cr, V, Mo, Co); a_он – поглощение, обусловленное гидроксильными ионами, присутствующими в стекле. Основные составляющие потерь для кварцевых ОВ приведены на рис. 1.9 и ниже рассмотрены более обстоятельно.

Рэлеевское рассеяние представляет собой рассеяние света на микронеоднородностях в среде, через которую распространяется электромагнитная волна, в результате чего может измениться угол распространения и свет может выйти их световода, как это показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Схема рэлеевского рассеяния

         Хорошо известно, что рэлеевское рассеяние является причиной голубого цвета неба. В атмосфере рэлеевское рассеяние возникает из-за флуктуаций плотности газа, вызываемых флуктуациями температуры. В стекле рэлеевское рассеяние может возникнуть в результате двух независимых эффектов: флуктуации плотности и флуктуации состава. Наличие плотных и менее плотных областей можно отнести к флуктуациям теплового происхождения, возникающим из-за броуновского движения в жидком стекле перед тем, как оно затвердеет. Поскольку различные компоненты стекла могут иметь различный ПП, то флуктуации состава могут приводить к флуктуациям ПП и, соответственно, к рассеянию. Чем выше концентрация легирующих компонентов, тем больше вероятность флуктуаций состава и больше рассеяние, как это видно из рис. 1.11

         Рэлеевское рассеяние принципиально неустранимо и определяет низший уровень потерь в материале по выражению:

                           (1.6),

где n_с – ПП материала сердцевины кварцевого ОВ , равный1.48-1.5; К – постоянная Больцмана; Т – температура затвердения кварцевого стекла при вытяжке, равная ~1500 К; β – коэффициент сжимаемости, равный для кварца 8,1∙10^-11 м²/Н; l - длина волны света. Чаще пользуются упрощенным выражением

a_рел= А´l^-4                                                         (1.7),

где А – коэффициент рэлеевского рассеяния. Если построить спектральную зависимость потерь в координатах a от l^-4, то по характеру зависимости можно судить об основном механизме потерь. Если эта зависимость линейная, то потери обусловлены рэлеевским рассеянием и наклон прямой позволяет определить коэффициент рэлеевского рассеяния, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, составляет величину "серых" потерь. Если эта зависимость носит нелинейный характер, то имеют место другие механизмы потерь.

         Коэффициент рэлеевского рассеяния зависит от типа легирующих примесей (рис. 1.11) и составляет для стекла SiO₂*P₂O₅ ≈ 0.95  дБ/км, а для стекла SiO₂*GeO₂  до 2 при С_GeO2 ~ 4…5 мол. %. Величина А обычно растет с ростом концентрации легирующих примесей (как отмечалось выше и видно из рис. 1.11), с ростом температуры вытяжки, и т.д. При снижении температуры вытяжки до 1800°С и скорости вытяжки до 1 м/с потери в ОВ, сердцевина которых легирована GeO_2, удалось снизить до 0,16 дБ/км, на λ = 1,55 и до 0,28 дБ/км на λ = 1,31 мкм.

Рис. 1.11. Зависимости потерь на рассеяние от концентрации легирующих примесей: 1 – P₂O₃, 2 – GeO₂, 3 – B₂O₃ ( для λ= 0,83 мкм); 4 – GeO₂ ( для λ= 0,51 мкм)

"Серые" потери вызваны крупными неоднородностями в ОВ (например, газовые пузыри, неровная граница между сердцевиной и оболочкой и другие несовершенства) и не зависят от длины волны. Поэтому величину "серых" потерь можно оценить из спектральной зависимости потерь a от l^-4, о чем говорилось выше. В современных одномодовых световодах потери, обусловленные несовершенством ОВ, не превышают 0,01 дБ/км, а в лучших образцах составляли 0,004 дБ/км.

УФ-поглощение обусловлено переходом электронов в зону проводимости (энергия перехода составляет в чистом кварцевом стекле ~ 10 эв). Край электронных полос поглощения для ряда аморфных, кристаллических и стеклообразных материалов описывается моделью Урбаха, которая предполагает, что коэффициент поглощения и оптические потери экспоненциально зависят от энергии фотона:

a=a₀´exp                                     (1.8),

где E_g – ширина запрещенной зоны, n - частота фотона, k -постоянная Больцмана. Основная причина поглощения согласно этой модели заключается в том, что случайная молекулярная структура материала из-за термических флуктуаций плотности, застывших при отвердении, создает макроскопические вариации электрического поля. Эти локальные электрические поля вызывают появление электронных уровней в запрещенной зоне, которые и допускают электронные переходы.

Рис. 1.12. Зависимости потерь на поглощение в УФ-диапазоне от энергии фотонов для чистого (1) и легированного кварцевого стекла: 2 – B₂O₃, 3 – P₂O₅, 4 – GeO₂

         На рис. 1.12 приведены зависимости потерь на поглощение в УФ-диапазоне от энергии фотонов (длины волны излучения) как для чистого кварцевого стекла, так и стекол, легированных примесями GeO₂, P₂O₅, B₂O₃. Видно, что при легировании кварцевого стекла потери возрастают, особенно для германосиликатного стекла, где наблюдаются полосы поглощения с максимумами на длинах волн 242 нм (5,12 эв) и 330 нм (3,75 эв), которые обусловлены германиевыми кислородно-дефицитными центрами (ГКДЦ). С ростом длины волны потери в чистом и легированном стеклах резко снижаются и на длинах волн более 0,8 мкм они значительно меньше 1 дБ/км. Поэтому их вклад в общие потери линий ВОСПИ обычно не учитывается.

         В ИК- области при низких энергиях фотонов свет взаимодействует с колебательными состояниями вещества. Любая связь между компонентами в стекле осциллирует за счет тепловой энергии среды. Эта связь ведет себя как электрический диполь, поле которого модулируется, т.е. делает возможным взаимодействие между электромагнитной волной и этой связью. Подобное взаимодействие приводит к переносу энергии от световой волны к материалу, т.е. в конечном счете  к преобразованию световой энергии в Джоулево тепло. Край ИК-поглощения ограничивает пропускание материалов в длинноволновой области. В таблице 1.2 даны длины волн, соответствующие частотам продольных колебаний для связей между компонентами, наиболее широко применяемыми  в волоконной оптике.

Таблица 1.2.

Длины волн, соответствующие частотам колебаний связей компонентов в стеклах для волоконной оптики.

         На рис. 1.13 приведены спектральные зависимости оптических потерь в ОВ на основе кварцевого стекла, легированного различными добавками. Из таблицы 2 и рис.1.13 видно, что легирование бором можно использовать только для световодов, работающих на длинах волн не более 1,3 мкм, а наиболее широкое окно прозрачности имеют германосиликатные стекла.

Рис. 1.13. Спектральные зависимости оптических потерь в кварцевых ОВ с различным составом стекла сердцевины: 1 – SiO₂^*GeO₂, 2 – SiO₂*P₂O₅, 3 – SiO₂*GeO₂*B₂O₃

Большинство ионов переходных металлов ряда железо (Fe, Cu, Ni, Cr, V, Mn, Co) при введении в стекло дают более или менее широкие полосы поглощения, расположенные в различных областях спектра от ближней ИК-области (около 1 мкм) до дальней ультрафиолетовой (около 0,35 мкм). Такое поглощение обусловлено электронными переходами между электронными состояниями ионов. На рис. 1.14 приведены кривые поглощения наиболее важных примесных ионов переходных металлов (часто называемых "красящими" примесями) в кварцевом стекле. Видно, что для получения величины потерь ~ 4 дБ/км на l=0,8 мкм концентрация железа, хрома, ванадия должна быть на уровне ~ 1 ppbw, где ppbw (part pro billion weight) – это 1часть на 10⁹ весовых частей основного вещества, т.е. около 10^-7 масс. %). Исследования спектральных зависимостей коэффициентов поглощения от концентрации примесей переходных металлов в кварцевом стекле показали, что для получения ОВ с потерями на уровне 0,2 дБ/км содержание наиболее распространенных примесей Cu⁺² и Fe⁺³ не должно превышать 10^-8 масс.%.

Рис. 1.14. Кривые поглощения наиболее важных примесных ионов переходных металлов в кварцевом стекле: 1 – Mn, 2 – Ni, 3 – Cr, 4 – v, 5 – Co, 6 – Ft, 7 - Cu

Одной из важнейших примесей, существенно влияющих на оптические потери в области длин волн 1,1¸1,5 мкм, являются гидроксильные группы (ОН^-). Примесь ОН нежелательна, поскольку обертоны продольных колебаний (максимум находится на длине волны 2,72 мкм) приводят к поглощению на длинах волн 1,38, 1,24, 0,95, 0,75 мкм, и таким образом эти полосы налагаются на интересующую нас область пропускания света в стекле. В таблице 1.3 приведены обертоны и комбинационные полосы в спектре поглощения гидроксильных групп (ОН) в кварцевом стекле.

Таблица 1.3.

Обертоны и комбинационные полосы в спектре поглощения гидроксильных групп в кварцевом стекле.

Примечание: n₀ –частота продольных колебаний ОН-групп;

                        n₁ – частота колебаний связи Si-O.

         Присутствие в стекле гидроксильных групп на уровне ~1 ppm (1´10^-4 масс. %) дает полосу поглощения на 1,38 мкм интенсивностью 55 дБ/км. Это означает, что для того, чтобы эта полоса не проявилась в стекле, необходимо снизить концентрацию ОН-групп до уровня ~ 10^-7 масс. %. Типичная спектральная зависимость потерь в кварцевых ОВ приведена на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Типичная спектральная зависимость полных потерь в кварцевом ОВ

Для кварцевых ОВ характерны три окна прозрачности: первое в диапазоне длин волн 0,78¸0,86 мкм, второе – 1,26¸1,36 мкм и третье – в области 1,53¸1,565 мкм.

         Рекордные потери, сообщенные на Международной конференции FOC-2002 и не превзойденные на сегодняшный день, составили для одномодового ОВ с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной светоотражающей оболочкой величину 0,151 дБ/км, тем самым побив рекорд 1986 г., когда потери составляли 0,154 дБ/км. В рекордном волокне потери складывались из следующих составляющих: рэлеевское рассеяние – 0,128 дБ/км, ИК-поглощение - 0,014 дБ/км, потери, обусловленные гидроксильными группами ОН – 0,004 дБ/км и несовершенствами ("серые" потери) – 0,004 дБ/км. Такие ОВ с чисто кварцевой сердцевиной позволят увеличить расстояние между ретрансляторами на ~30 % по сравнению с одномодовыми ОВ, сердцевина которых легирована германием и которые имеют потери ~ 0,2 дБ/км.

1.3.2. Изгибные и микроизгибные потери

         До сих пор мы рассматривали собственные потери, присущие ОВ, растянутому в виде прямой линии. Однако при изгибе ОВ его потери начинают быстро расти при приближении радиуса петли к критическому радиусу, как это видно из рис. 1.16 и нижеследующей формулы:

                                                 (1.9),

где R – радиус изгиба, R_c– критический радиус изгиба равный

                                                                                 (1.10),

где a радиус сердцевины, NА – числовая апертура ОВ.

Рис. 1.16. Зависимость пропускания света от диаметра петельки (одиночной) в стандартном одномодовом волокне (SM), измеренная на λ = 1,3 мкм

Потери при изгибе волокна обусловлены двумя причинами. Во-первых, потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна. Обусловлены они тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некоторую величину d, зависящую от радиуса изгиба волокна. В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными друг относительно друга также на величину d (рис. 1.17). Поэтому только часть мощности моды "прямого" волокна передается моде изогнутого волокна, а остальная мощность преобразуется в оболочечные моды и, в конечном счете, теряется.

Рис. 1.17. Схема, поясняющая причину возникновения потерь при соединении прямого и изогнутого волокна:

а) в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некоторую величину d,

б) в месте соединения прямого и изогнутого волокон их модовые пятна смещены относительно друг друга на величину d

Во-вторых, мощность теряется и непосредственно в изогнутом волокне. Происходит это из-за того, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью больше скорости света, эта часть моды излучается в оболочку волокна и, в конечном счете, теряется (рис. 1.18). Величина этих потерь тем выше, чем больше число витков изогнутого волокна и чем меньше радиус его изгиба.

Значительное увеличение потерь в ОВ может быть обусловлено наличием микроизгибов, которые могут появиться, например, при многослойной намотке волокна с мягкой оболочкой на барабан с большим натяжением, когда волокно пересекает другие волокна, как это показано на рис.1.19. При этом возможен небольшой, но многократный изгиб оси волокно, что и вызывает дополнительные потери, о которых говорилось выше. Микроизгибы могут возникать также и за счет усадки защитного покрытия после его полимеризации, т.к. коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) полимеров значительно больше КЛТР кварцевого стекла. Для устранения этого явления защитное покрытие делают двухслойным: первичное – мягким, а вторичное – жестким. Величина микроизгибных потерь пропорциональна отношению a⁴/b⁶, где а – диаметр сердцевины, а b – диаметр волокна.

Рис. 1.18. Схема, поясняющая возникновение потерь в изогнутом волокне: 1 - оболочка, 2 – сердцевина, 3 – плоскость фазового фронта, *- точка, где скорость распространения фазового фронта превысила скорость света в среде

Рис. 1.19. Волоконный световод, соприкасающийся с шероховатой поверхностью (микроизгиб)

Коэффициент затухания на рабочей длине волны, как важнейший параметр, обязательно приводится в паспорте на каждый образец ОВ, при этом часто указывается и зависимость затухания от величины изгиба волокна и величина усилия при многослойной намотке ОВ на транспортный барабан.

1.4. Дисперсия сигнала и способы ее уменьшения

         Следующей важнейшей характеристикой ОВ, также определяющей длину ретрансляционного участка, является дисперсия сигнала. Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительности импульсов на выходе (τ вых) и на входе (τ _вх.) ОВ, т.е.

                                              (1.11),

где  и  - определяются на уровне полувысоты амплитуды импульсов.

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но и существенно снижает дальность передачи сигналов, т.к. чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов. Дисперсия, в общем случае, определяется тремя основными факторами:

·        различие скоростей распространения направляющих мод;

·        направляющими свойствами ОВ;

·        параметры и свойства материала, из которого оно изготовлено.

В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии:

·        большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия);

·        некогерентность источников  излучении, реально работающих в системе длин волн ∆ λ (хроматическая дисперсия).

Рис. 1.20. Распространение излучения по многомодовым ОВ: а) - со ступенчатым профилем ПП, б) – с градиентным профилем ПП, и по одномодовому ОВ (в)

1 – самый медленный луч, 2 – самый быстрый луч

Межмодовая дисперсия преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. Для ОВ со ступенчатым профилем ПП скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны λ одинакова и равна:

                                             (1.12),

где с – скорость света, а n_сер. –  ПП материала сердцевины.

Лучи света, распространяющиеся по ОВ под разными углами, проходят различный путь, как это видно из рис. 1.20 , и приходят на выходной торец волокно за разное время.

Согласно законам геометрической оптики время распространения луча в ОВ со случайным профилем ПП определяется по формуле:

                                                   (1.13)

и тогда

 и                                   (1.14),

и величина межмодовой дисперсии будет:

                              (1.15),

где D - относительная разность ПП материалов сердцевины и оболочки равная

                                               (1.16)

и обычно выражается в процентах.

Согласно (1.15) величина межмодовой дисперсии должна линейно увеличиваться с ростом длины ОВ. Однако это справедливо только для идеального ОВ, а в реальном ОВ из-за наличия различных несовершенств при достижении определенной длины (L_c) происходит процесс преобразования мод, тогда имеем следующую зависимость, приведенную на рис. 1.22, где при  L>L ₁

                                            (1.17).

Длина установившейся связи мод (L₁)оставляет 5-7 км для ОВ со ступенчатым профилем ПП, и 10-15 км для ОВ с градиентным профилем ПП.

Рис. 1.21. Длина взаимодействия мод в многомодовом ОВ

Рис. 1.22. Профили показателя преломления (ПП) в ОВ со ступенчатым (1) и градиентным (2) профилями ПП

         В градиентном многомодовом ОВ (рис. 1.22) время распространения оптических лучей определяется профилем ПП, который обычно записывается как

                                        (1.18),

где n_c –ПП на оси сердцевины, а –радиус сердцевины и u –показатель степени, который близок к 2 (см. рис. 1.23 ) и зависит от материала сердцевины и рабочей длины волны. Суть градиентного профиля ПП, используемого для уменьшения межмодовой дисперсии, заключается в том, что лучи, которые распространяются вблизи оси ОВ, где более высокий ПП, проходят меньший путь, но и движутся с меньшей скоростью. Напротив, лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, движутся в области с меньшим ПП, т.е. с большей скоростью. Как видно из рис. 1.23 оптимальным является профиль ПП, близкий к параболическому (т.е. u~2). Применение градиентного профиля ПП позволило на порядок и более уменьшить величину межмодовой дисперсии.

          Волноводная дисперсия (внутримодовая), обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется направляющими свойством сердцевины ОВ, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому волноводная дисперсия определяется, в первую очередь, профилем ПП ОВ и прямопропорциональна ширине спектра излучения источника (∆λ):

                                                 (1.19),

где В(λ) – удельная волноводная (внутримодовая) дисперсия.

         При отсутствии В(λ) оценка  характеризуется  выражением:

                                         (1.20),

где ∆λ = 1-3 нм для лазера, и 20-40 нм для светодиода на λ = 0, 85 мкм.

Рис. 1.23. Зависимость модовой дисперсии от степенного показателя u в градиентных ОВ.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью ПП от длины волны и поэтому различные длины волн распространяются с разной скоростью, т.к. . Например, в области ≈ 850 нм более длинные волны двигаются быстрее коротких (V₈₆₀>V₈₅₀),а в области ≈ 1550 нм, наоборот, более длинные движутся медленнее, чем короткие, т.е. (V₁₅₄₀>V₁₅₆₀). Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной, поскольку зависит от физических свойств материала сердцевины ОВ. Величина материальной дисперсии зависит также от диапазона длин волн света, инжектируемого в волокно, и записывается как

                             (1.21),

где М(l) – удельная материальная дисперсия, определяемая экспериментально. Совокупность волноводной и материальной дисперсии называют хроматической дисперсией, т.к. она зависит от длины волны.

         Волноводная и материальная дисперсии могут иметь различные знаки, как это видно из рис. 1.24, и, следовательно, частично компенсировать друг друга. Из этого рисунка видно также, что в области λ>1300 нм М(λ) отрицательна, т.е. короткие волны движутся быстрее длинных, а при λ<1300 нм длинные волны опережают короткие и прибывают ранее. Длина волны, при которой дисперсия равна нулю, называется длиной волны нулевой дисперсии (ДВНД). Для кварцевого стекла ДВНД лежит около 1,3 мкм, и может смещаться в длинноволновую область при увеличении разности ПП материалов

Рис. 1.24. Удельное значение дисперсии при различных длинах волн: В(λ) - волноводная и М(λ) – материальная дисперсии

сердцевины и оболочки (Dn) и длины волны отсечки одномодовых ОВ. Этот факт используется при создании одномодовых ОВ со смещенной нулевой дисперсией в область l ~ 1,5 мкм, где кварцевые ОВ имеют наименьшие потери. Дисперсионные характеристики различных ОВ приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 Дисперсионные свойства различных ОВ

Многие производители ОВ и ВОК не используют в спецификации дисперсию в многомодовых ОВ. Вместо этого они указывают произведение ширины полосы пропускания на длину, или просто полосу пропускания, выраженную в мегагерцах на километр. Ширина полосы пропускания – это диапазон частот, которые могут пройти через ОВ без искажения. Полоса пропускания в 400 МГц×км означает возможность передачи сигнала в полосе 400 МГц на расстояние 1 км. Это также означает, что произведение максимальной частоты сигнала на длину передачи может быть меньше или равно 400.

Другими словами, можно передавать сигнал более низкой частоты на большее расстояние или более высокой частоты на меньшее расстояние, как это видно из рис. 1.25 (например, сигнал 200 МГц – на расстояние 2 км, а 800 МГц всего на расстояние – 0,5 км). Рабочая полоса частот (полоса пропускания) ВОК определяет число передаваемых по нему каналов связи и лимитируется дисперсией ОВ.

Рис. 1.25. Зависимость длины передачи от ширины полосы пропускания для 400 МГц*км волокна