Строительство телекоммуникационной сети доступа между крупным населённым пунктом Юкки и коттеджным посёлком Юкки в Порошкино

Для большинства ОВ .

Процесс распространения  света в сердцевине оптического  волокна зависит от профиля показателя преломления волокна. В соответствии с профилем показателя преломления все оптические волокна делятся на многомодовые и одномодовые. В свою очередь, многомодовые и одномодовые волокна могут подразделяться на различные типы. Для того, чтобы отчетливо представлять распространение света в сердцевине волокна, кратко рассмотрим следующие три типа волокон:

• многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления,
• многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления,
• одномодовое волокно.

На рис. 3.4. показаны конструкции волокон перечисленных типов, профили их показателя преломления и траектории световых лучей.

Многомодовое волокно  со ступенчатым профилем показателя преломления не используется в современных  системах связи, но представляет собой прекрасную иллюстративную модель для понимания процесса распространения света в сердцевине волокна.

Рис. 3.4. Конструкции волокон, профили их показателя преломления и траектории световых лучей: а - многомодовое со ступенчатым профилем показателя преломления,  
б - многомодовое с градиентным профилем показателя преломления, в – одномодовое.

В многомодовом волокне  со ступенчатым профилем величина показателя преломления ступенчато изменяется при переходе через границу сердцевины и оболочки. Значение показателя преломления сердцевины немного больше, чем оболочки. Поскольку диаметр сердцевины много больше рабочей длины волны света, лучи света могут распространяться в сердцевине по большому числу траекторий, каждая из которых будет удовлетворять критерию распространения, указанному в параграфе 3.1.2. Лучи, имеющие разные траектории распространения, представляют собой различные направляемые моды. Длины траекторий для различных мод также отличаются друг от друга - некоторые более длинные, некоторые короче. Это приводит к расширению импульса во временной области. Это явление называют модовой или межмодовой дисперсией. Кроме того, при распространении света в волокне теряется часть оптической мощности. Это явление называют ослаблением. Вследствие ослабления оптическая мощность принимаемого сигнала всегда меньше, чем мощность сигнала на выходе передатчика.

В многомодовом волокне  с градиентным профилем значение показателя преломления в сердцевине постепенно уменьшается от оси волокна к границе раздела оболочки и сердцевины. В волокне с градиентным профилем световые лучи не распространяются зигзагообразно, как в волокнах со ступенчатым профилем. В волокне такого типа также может быть много траекторий распространения света в сердцевине волокна, но эти траектории плавные, не имеющих резких отражений от границы раздела сердцевины и оболочки. В центральной части сердцевины скорость распространения оптического сигнала ниже, чем во внешних слоях, что обусловлено профилем показателя преломления. Это означает, что лучи света, проходящие по более длинным траекториям, распространяются с большей средней скоростью. В результате дисперсионное расширение оптического импульса в волокне с градиентным профилем оказывается меньше, чем в волокне со ступенчатым профилем. Можно отметить, что это также приводит и к меньшему затуханию коротких импульсов.

В одномодовом волокне  диаметр сердцевины очень мал, а  зависимость показателя преломления - такая, что на рабочей длине волны  возможно существование только одной направляемой моды, которой соответствует луч, распространяющийся вдоль оси волокна. Практически диаметр сердцевины одномодового волокна составляет 8 - 9 мкм. В одномодовых волокнах нет межмодовой дисперсии, но существуют хроматическая и поляризационно-модовая дисперсии. Затухание одномодового волокна существенно меньше по сравнению с затуханием многомодовых волокон. В одномодовом волокне часть оптической мощности распространяется в оболочке. Поэтому можно ввести понятие модового поля. Диаметр модового поля – это фактический диаметр той области одномодового волокна, в которой распространяется основная часть оптической мощности.

Размеры оптического  волокна указываются по следующей  форме: диаметр сердечника/диаметр  оболочки, например, 9/125 мм.

Одномодовые волокна подразделяются на:

• ступенчатые или стандартные волокна SF;
• волокна со смещённой дисперсией DSF;
• волокна с ненулевой смещённой дисперсией NZDSF.

У многомодового градиентного волокна и одномодового волокна  со смещённой дисперсией показатель преломления сердцевины зависит от радиуса. Такой более сложный профиль делается для улучшения технических характеристик или для достижения специальных характеристик волокна.

3.2. Основные параметры оптических волокон

3.2.1 Конструктивные параметры

Выбор конструктивных параметров ОВ, в частности, диаметров сердцевины и оболочки, определяются на основе комплексного решения задач, связанных с целым рядом факторов и закономерностей.  В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т для многомодовых кварцевых ОВ соотношение диаметров оболочки и сердцевины принимаются равными 2,5, а численные значения диаметров сердцевины и оболочки составляют соответственно и . Размеры ОВ записываются в виде соотношения (например, ).

Помимо основного типоразмера  в системах связи также используются многомодовые ОВ с типоразмерами . В настоящее время размеры ОВ и их допустимые отклонения от номинальных значений стандартизированы (см. таблицу 3.2).

Таблица 3.2. Допустимые отклонения размеров многомодового ОВ

Многомодовое волокно		Многомодовое волокно
Диаметр сердцевины		Диаметр сердцевины
Эллиптичность сердцевины		Эллиптичность сердцевины
Многомодовое волокно		Многомодовое волокно
Диаметр оболочки		Диаметр оболочки
Эллиптичность оболочки		Эллиптичность оболочки

 

Диаметр одномодового ОВ выбирается из тех же соображений, что  и для многомодовых. Диаметр сердцевины одномодового ОВ обычно составляет  , диаметр поверх оболочки для унификации сохраняется равным . Отклонение от номинального значения, как и в случае многомодового ОВ, не должен превышать , а некруглость - . Однако следует отметить, что нормируемым параметром в одномодовом ОВ является не диаметр сердцевины, а диаметр поля моды, который характеризует потери при вводе света в волокно и зависит от длины волны. Конструктивные размеры стандартного одномодового волокна приведены в      таблице 3.3.

Таблица 3.3. Конструктивные размеры стандартного одномодового ОВ

Диаметр модового поля
Эксцентричность модового поля
Диаметр оболочки
Эллиптичность оболочки

 

В конструкциях ОВ в целях  сохранения передаточных параметров и  механической прочности используют различные покрытия. Сразу же после  вытяжки ОВ на него наносят первичное  защитное покрытие (ПЗП) толщиной из материала, обладающего несколько большим коэффициентом преломления, чем оболочка ОВ, и большими потерями на поглощение для подавления распространения нежелательных мод.

3.2.2. Оптические параметры

Основными оптическими параметрами волокна являются:

• относительная разность показателей преломления ( );
• числовая апертура ( );
• нормированная частота ( );
• число распространяющихся мод ( );
• диаметр модового поля ( );
• длина волны отсечки (критическая длины волны ).

Относительная разность показателей преломления.  Относительная разность ПП сердцевины и оболочки определяется выражением (3.1.1).

Числовая апертура.  Одной из основных характеристик, определяющих условия ввода оптических сигналов и процессы их распространения в ОВ, является числовая апертура, определяемая для:

• оптических волокон со ступенчатым ППП

                                   ,                                    (3.2.2.1)

• оптического волокна с градиентным профилем ППП

                                         ,                                           (3.2.2.2)

В градиентных ОВ используется понятие локальной числовой апертуры. Её значение максимально на оси волокна и равно 0 на границе раздела сердцевина-оболочка.

Нормированная частота.  Этот параметр, определяющий число мод, равен:

                                                          ,                                        (3.2.2.3)

где - длина волны, мкм.

Если 0 < < 2,405, то режим работы волокна одномодовый, если          > 2,405 – многомодовый.

Число распространяющихся мод.  Общее число мод в многомодовом ОВ с диаметром сердцевины , заданной числовой апертурой на рабочей длине волны определяется через нормированную частоту выражением вида:

                                                          (3.2.2.4)

В расчетах может оказаться дробным числом, в то время как число мод в волокне бывает только целым и составляет от одной до тысячи мод.

Диаметр модового поля.   Важный интегральный параметр одномодового ОВ. Он используется при анализе одномодовых волокон.

В многомодовых ОВ размер сердцевины принято оценивать диаметром ( ), в одномодовых волокнах – с помощью диаметра модового поля ( ). Это связано с тем, что энергия основной моды в одномодовом ОВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее приграничную область. Поэтому более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды. Величина является важной при стыковке волокон между собой, а также при стыковке источника излучения с волокном.

Длина волны  отсечки в одномодовом ОВ.   Минимальная длина волны, при которой ОВ поддерживает только одну распространяющуюся моду, называется длиной волны отсечки. Если меньше, чем длина волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света.

Различают длину волны  отсечки в волокне и длину волны отсечки в проложенном кабеле . Первая ( ) соответствует слабо напряженному волокну. Длина волны отсечки в проложенном кабеле ( ) соответствует напряженному ОВ. Разницу между и можно оценить только экспериментальным путем.

3.2.3. Параметры передачи оптических волокон

К параметрам передачи ОВ относятся:

• коэффициент затухания;
• дисперсия оптического сигнала;
• ширина полосы пропускания.

Коэффициент затухания. Затухание в ОВ – это мера ослабления оптической мощности, распространяемой вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны. Затухание в ОВ выражается в дБ.

Коэффициент затухания – это величина затухания на единице длины волокна. Выражается в дБ/км.

Коэффициент затухания обуславливается  собственными потерями волокна и  выражается в виде:

                                                ,                               (3.2.3.1)

где , , , - составляющие коэффициента затухания за счет рэлеевского рассеяния, поглощения в материале волокна, инфракрасного поглощения и поглощения на примесях ОВ, соответственно.

В оптическом волокне, изготовленном  из кварца, различают два вида поглощения, определяемые непосредственно материалом волокна (кварцем), которое в свою очередь состоит из инфракрасного  и ультрафиолетового поглощения, и примесями в материале волокна.

Современные ОВ в большинстве случаев  изготавливаются из химически чистой двуокиси кремния (SiO₂), поэтому в широком диапазоне длин волн оптического излучения ( ) поглощение практически сведено к нулю. По этой причине составляющими , , можно пренебречь и считать, что затухание света в ОВ происходит вследствие рассеивания.

Потери вследствие рассеивания  зависят от размеров локальных неоднородностей. Следует отметить, что в материалах, из которых изготавливаются современные ОВ, существуют только микроскопические неоднородности, размер которых много меньше длины волны. Рассеяние на таких неоднородностях называют упругим или рэлеевским рассеянием. Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих ОВ, и составляют порядка 0,16 дБ/км на длине волны 1550 нм.

Дисперсия оптического  сигнала. Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.

Дисперсия – это рассеивание спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ:

                                                         ,                                      (3.2.3.2)