Проект внедрения технологии волнового уплотнения на участке Новосибирск – Кемерово

 

Количество мод. Если при  может распространяться только одна мода, то с ростом количество мод начинает резко расти. При больших значениях количество мод для ступенчатого волокна можно оценить по формуле:

 (3.7)

  а) многомодовое ступенчатое волокно, 
 б) многомодовое градиентное волокно, 
 c) одномодовое ступенчатое волокно

Рисунок 3.2 - Распространение света  по разным типам волокон:

Число мод может быть только целым и составлять величину от одной до нескольких тысяч.

На рисунке 3.2 показана общая картина распространения  света по разным типам световодов: многомодовому ступенчатому, многомодовому градиентному, и одномодовому ступенчатому волокну [11].

3.1.2 Затухание

Волокно характеризуется двумя  важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

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

Типичный  характер зависимости удельных или километрических потерь от длины волны (в диапазоне волн, используемых для оптического волокна 0,7-1,6 мкм) и типа волокна приведен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Затухание сигнала  в волокне

Коэффициент затухания световодных  трактов оптических кабелей обусловлен собственными потерями в волоконных световодах и дополнительными потерями, так называемыми кабельными , вызываемыми скрутками, а также деформацией и изгибами световодов при наложении упрочняющих покрытий на волокно и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля:

 (3.8)

Собственные потери волоконных световодов состоят из потерь поглощения энергии в диэлектрике и потерь рассеяния ее на неоднородностях материала световода . Кроме этого значительный вклад в затухание вносит наличие примесей в сердцевине световода . Таким образом:

 (3.9)

Величина потерь на поглощение обусловлена  комплексным характером диэлектрической  проницаемости, которая связана  с и линейно растет с частотой

 (3.10)

где - показатель преломления сердцевины;

- длина волны в км;

- тангенс угла диэлектрических потерь в материале световода.

Подставляя в (3.10) соответствующие  значения получаем:

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых сравнимы с длиной волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления [15]:

 (3.11)

где - постоянная Больцмана;

- температура перехода, стекла в твердую фазу;

- коэффициент сжимаемости;  показатель преломления сердцевины;

- длина волны в м.

По формуле (3.11) определяем потери рассеяния:

В окне прозрачности апр можно пренебречь. Тогда, собственные потери будут равны:

Дополнительные потери в оптических кабелях классифицируют на следующие:

 - вследствие микроизгибов;

- вследствие макроизгибов оптического волокна и других

нарушений прямолинейности;

- за счет потерь в защитной оболочке;

- вследствие термохимических  воздействий на волокно в процессе  изготовления кабеля.

Микроизгибы представляют собой мелкие локальные, (сравнимые с диаметром волокна) нарушения прямолинейности волокна. Они обусловлены конструкторско-технологическими неоднородностями, возникающими при изготовлении волокна и кабеля.

Макроизгибы обусловлены скруткой оптических волокон  по длине кабеля, а также наличием изгибов. Здесь радиус изгиба существенно больше диаметра волокна.

Потери  в защитной оболочке характеризуются тем, что при полном внутреннем отражении часть энергии просачивается во внешнее пространство, окружающее световод и затухает по экспоненциальному закону. Эта энергия достигает защитной оболочки и поглощается последней. Потери термомеханического характера обусловлены различием в температурных коэффициентах удлинения стекла и материала оболочки, в силу чего появляются внутренние напряжения, сюда же относятся механические воздействия на волокна в процессе изготовления кабеля.

При соблюдении норм технологического процесса изготовления доминируют потери на макроизгибы. Потери на микроизгибы и в защитных оболочках сравнительно невелики. В целом составляет примерно 0,1 дБ/км.

По формуле (3.8) определяем суммарные потери оптического волокна:

3.1.3 Дисперсия

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме. Дисперсия - уширение импульсов - имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входe кабеля длины по формуле:

 (3.12)

Обычно дисперсия нормируется  в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными  факторами [11]:

- межмодовой или просто модовой дисперсией – различием скоростей распространения направляемых мод;

- волноводной дисперсией – направляющими свойствами световодной структуры;

- материальной дисперсией – свойствами материала оптического волокна.

Совместное влияние волноводной  и материальной дисперсий называют хроматической дисперсией волокна.

Чем меньше значение дисперсии, тем  больший поток информации можно  передать по волокну [22].

Межмодовая дисперсия - дисперсия, существующая только в многомодовом волокне и вызванная различной скоростью распространения в световоде лучей разных мод, достигающих определённого сечения волокна (выхода) в разное время, что приводит к уширению входного импульса на выходе. Этот тип дисперсии может быть уменьшен двумя путями:

- уменьшением диаметра сердцевины;

- изменением профиля показателя преломления, т.е. использованием многомодового волокна с плавно изменяемым показателем преломления. В настоящее время многомодовые волокна такого типа используются достаточно широко (если не исключительно).

Волновая  дисперсия - дисперсия, существующая в  так называемой волноводной среде, сформированной двумя физическими средами, сердцевиной и оболочкой. Дисперсия реальных световодов отличается от дисперсии объемной среды наличием волноводной структуры, изменяющей эффективный показатель преломления моды. В результате появляется особая волноводная составляющая дисперсии, которая складывается определенным образом с дисперсией материала, формируя результирующую дисперсию. Вклад волноводной дисперсии зависит от радиуса сердцевины, разности показателей преломления сердцевины и оболочки и числа оболочек.

Материальная  дисперсия - дисперсия собственно материала  световода, существующая независимо от типа волокна и она соответствует  волноводной (а не объемной) среде. Материальная дисперсии, или дисперсия материала, зависит (для прозрачного материала) от частоты (или длины волны) и материала волокна, в качестве которого, как правило, используется кварцевое стекло. Дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный (резонансный) характер и только вдали от резонансов может быть описано с приемлемой точностью. Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход (светоизлучающий диод или лазерный диод, формирует световые импульсы, имеющие непрерывный волновой спектр определенной ширины). Различные спектральные компоненты импульса распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку (фазу формирования огибающей импульса) в разное время, приводя к уширению импульса на выходе и, при определенных условиях, к искажению его формы.

Хроматическая дисперсия системы передачи чувствительна к:

- увеличению длины и числа участков линии связи;

- увеличению скорости передачи (т.к. увеличивается эффективная ширина линии генерации источника).

В меньшей  степени на нее влияют:

- уменьшение частотного интервала между каналами;

- увеличение числа каналов.

В системах WDM с обычным стандартным волокном (Рек. ITU-T G.652) хроматической дисперсии следует уделять особое внимание, так как она велика в области длины волны 1550 нм.

Состояние поляризации оптического излучения  в произвольной точке волоконно-оптической сети никогда не бывает точно известно. Оно зависит от геометрического пути волокна, характера двулучепреломления вследствие асимметрии показателя преломления и множества других оптических явлений в компонентах линии связи. Двулучепреломление среды передачи может быть неотъемлемым свойством материала волокна или вызвано его растяжением, сжатием и тепловыми напряжениями. Воздействия, возникающие в процессе производства волокна, а также механические воздействия на волок-но в скрученном кабеле и при монтаже кабеля, приводят к нарушению геометрии волокна или соосности сердцевины и оболочки. Эти явления способствуют появлению поляризационной модовой дисперсии - основного механизма, с помощью которого все дефекты волокна проявляются на характеристиках системы передачи.

Поляризационная модовая дисперсия (PMD) возникает  из-за различной скорости распространения  двух взаимно перпендикулярных составляющих излучения, направленных вдоль локально ортогональных осей волокна, так называемых, быстрой и медленной осей. При распространении света по волокну происходит накопление разности фаз излучения с различным состоянием поляризации. Это явление приводит к уширению импульсов излучения, влияет на относительный уровень ошибок BER в цифровых системах и может внести серьезные искажения гармоник в аналоговых системах.

Поляризационную модовую дисперсию могут вносить  и локальные компоненты оптической линии связи, такие как оптические соединители, мультиплексоры/демультиплексоры. Уменьшение влияния PMD отдельных компонентов достигается путем контроля качества в процессе их производства. Для этих компонентов обычно указывается изготовителем максимально допустимое значение PMD (пс) [22].

PMD измеряется  для каждого конкретного участка  проложенного волокна в линии связи, но для вычисления PMD линии связи состоящей из нескольких участков, выполняют процедуру статистического суммирования. Общая поляризационная модовая дисперсия линии связи определяется как квадратный корень из суммы квадратов PMD отдельных участков, образующих линию связи:

 (3.13)

Проводить тестирование всех участков линии необходимо, так как  один плохой участок волокна портит общую картину для всей линии связи. Это не значит, что если несколько измеренных участков имеют малые задержки PMD, то вся линия будет иметь приемлемое значение PMD [5].

Влияние PMD на качество сигнала в линии связи  возрастает при:

- увеличении скорости передачи (один из важнейших факторов);

- увеличении количества участков в линии (равносильно увеличению длины волны оптического канала);

- увеличении  количества каналов (при большом  числе каналов возрастает вероятность большого отклонения дифференциальной групповой задержки от среднего значения хотя бы в одном канале).

Явление PMD является серьезным препятствием при установке систем WDM на сетях с обычным волокном, соответствующим Рек. ITU-T G.652.

3.1.4 Методы компенсации дисперсии

Основные методы уменьшения дисперсии  сводятся к использованию профилированных показателей преломления, длины волны с нулевой дисперсией, сдвигу нулевой дисперсии за счет волноводной составляющей в область рабочих длин волн, созданию слабо меняющейся дисперсионной характеристики с ненулевой, но малой дисперсией. Они все реализованы в существующих оптических волокнах.

Однако существует возможность и прямой компенсации дисперсии путем врезки в волокно, имеющее положительную дисперсию, участка с отрицательной дисперсией, причем так, чтобы результирующая дисперсия на заданной длине волны или (с учетом использования WDM) в определенном диапазоне длин волн была близка к нулю. Использование этого метода, возможно, упростит технологию изготовления кабеля и кажется достаточно перспективным. Одной из промышленных разработок, основанных на такой технологи изготовления оптического волокна, является новая модификация кабеля True Wave, названная True Wave Balanced. Этот кабель позволяет без использования внешних компенсаторов передавать сигналы высокоплотных систем WDM (DWDM и HDWDM) в стандартном для них в настоящее время диапазоне длин волн 1530-1565 нм [6].

Кроме указанных спецтехнологий для  этих же целей был разработан специальный тип волокна - DCF - волокно, компенсирующее дисперсию, которое в виде бухты определенной длины может быть вставлено в виде модуля в стойку с аппаратурой SDH или WDM. Важно иметь в виду относительно большой уровень вносимых потерь, который имеет такой модуль.

3.2 Нелинейные явления в волокне

Важнейшим параметром световода является затухание передаваемой энергии. Потери ОВ дисперсией определяют длину регенерационного участка ВОЛП. Существуют две основные причины потерь в ОВ: поглощение и рассеяние энергии. Потери на поглощение состоят из собственного поглощения и поглощения из-за наличия в стекле ионов металла и гидроксильных групп. Собственное поглощение наблюдается в ультрафиолетовой (обусловлено электронными полосами поглощения) и инфракрасной (обусловлено колебательными полосами поглощения в компонентах, входящих в состав стекла) области спектра.