Характеристика оптических волокон

 

Содержание

Введение………………………………………………………………….…….….3

1 Типы оптических волокон ……………………………………………….…….4

1.1. Определение диаметра сердцевины…………………………………………..4

1.2. Три типа оптических волокон…………………………………………….….5

1.3 Микроизгибы и макроизгибы …………………………………………….....…7

1.4 Диаметр оптоволокна……………………………………………………..…….8

2 Характеристики оптического волокна ………………………………….…….9

2.1. Оптические характеристики…………………………………………..………9

2.2. Механические характеристики………………………………………...……9

2.3 Типичные характеристики  оптического волокна высокого  качества .11

 

 

 

 

Цель: дать понятия о типах и характеристиках оптических волокон

Объект: оптическое волокно

Предмет: характеристика оптического волокна

 

 

 

 

Введение

 

Оптическое волокно и  волоконная оптическая техника играют в современной связи определяющее значение, первое — как среда  для оптической цифровой передачи, вторая — как набор средств, дающих возможность осуществления такой  передачи. Технологии, используемые этими  средствами, могут быть, в принципе, различны, но должны быть транспортными. К таким в настоящее время  относят: ATM, IP, ISDN, PDH, SDH/SONET и WDM.

Оптоволоконные линии  связи предназначены для передачи больших объемов данных на высоких  скоростях. В оптоволоконном кабеле цифровые данные передаются по оптическим волокнам в виде световых модулированных импульсов. Это позволяет прокладывать оптоволоконные линии связи без  регенерации сигналов на дистанции, достигающие 120 км, что невозможно осуществить  с помощью любых других известных  на сегодняшний день технологий прокладывания  линий связи.

Оптоволоконный кабель идеально подходит для создания сетевых магистралей, поскольку он нечувствителен к влажности  и другим внешним условиям. Его  недостатки в основном связаны со стоимостью прокладки и эксплуатации, намного превосходящей медную среду  передачи данных. Помимо цены, такой  кабель требует особых технических  навыков в процессе прокладки. Оптико-волоконный кабель с точки зрения разводки мало отличается от укладки медного, тогда  как присоединение коннекторов  требует принципиально иного  инструмента и технических навыков.

 

  

1 Типы оптических волокон

 

Существуют три основных типа оптического  волокна (ОВ), отличающихся числом мод  и своими физическими свойствами (cчитают, что этих типов два: одномодовое  и многомодовое):

- одномодовое волокно; 

- многомодовое волокно со ступенчатым  профилем показателя преломления; 

- многомодовое волокно с градиентным  профилем показателя преломления. 

 

1.1. Определение диаметра сердцевины

 

На рис. 1.1 графически представлены сечения многомодового (слева) и одномодового (справа) волокон. Важным в этих рисунках являются сравнительные размеры сердечников многомодового и одномодового волокон.

Рис. 1.1. Поперечное сечение многомодового (слева) и одномодового (справа) волокон

Обратите внимание на то, что внешний диаметр обоих  типов волокон одинаков и составляет номинально 125 мкм. Однако существует огромная разница в диаметрах сердцевины: 50 мкм для многомодового волокна  и 8,6-9,5 мкм для одномодового волокна. На практике существуют и другие зна-чения  диаметров многомодового волокна, наиболее используемым из них является 62,5 мкм.

 

1.2. Три типа оптических волокон

 

На рис. 1.2 показана конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (рис. 1.2(а)) и градиентный (рис. 1.2(б)) для многомодового волокна. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется резким (в виде ступеньки) изменением показателя преломления (от п₁ к п₂) на границе раздела, тогда как градиентный - плавным изменением.

Рис. 1.2. Конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (а) и градиентный (б) для многомодового волокна.

Многомодовое волокно со ступенчатым  профилем показателя преломления является более экономичным по сравнению  с градиентным волокном. Для многомодового  волокна со ступенчатым профилем показателя преломления коэффициент  широкополосности, характеристика, рассмотренная  выше, имеет порядок 10-100 МГц⋅км, при условии, что повторители расположены на расстоянии 10 км, можно передать полосу частот шириной от 1-10 Мгц.

Градиентный профиль показателя преломления  делает многомодовое волокно существенно  дороже, чем при ступенчатом профиле, однако дает возможность улучшить коэффициент  широкополосности. Так, если в качестве источника света используется лазерный диод, то можно довести коэффициент  широкополосности до 400-1000 МГц⋅км. Если же в качестве источника используется СИД, имеющий существенно более широкий спектр излучения (см. материал гл. 4), то с тем же градиентным волокном можно рассчитывать на коэффициент широкополосности порядка 300 МГц⋅км или выше. Принципиальным ограничивающим фактором в этом случае является материальная дисперсия.

На рис. 1.3 показаны профили показателя преломления и характер распространения мод для указанных трех типов ОВ на основе кварцевого стекла.

Одномодовое волокно проектируется  так, что в нем может распространяться только одна мода. Благодаря этому V < 2,405 (см. формулу 1.5). В таком волокне нет модовой дисперсии просто потому, что распространяется только одна мода. Типично, мы можем встретить волокно с показателями преломления п₁ = 1,48 и п₂ = 1,46. Если бы длина волны оптического источника света была 820 нм, то для осуществления одномодовых режимов работы потребовалось бы волокно 2,6 мкм, что, конечно мало для современных систем. Рис. 1.3(в) иллюстрирует профиль показателя преломления одномодового волокна. Этот тип волокна демонстрирует значительно лучшие значения коэффициента широкополосности среди описанных трех типов волокон.

 

Рис. 1.3. Профили показателей преломления и моды, распространяющиеся в трех типах ОВ. 

1.3 Микроизгибы и макроизгибы

 

Микроизгибы вызваны несовершенством волокна. Они вызывают увеличение потерь в кабеле. Эти потери могут быть очень большими и в некоторых случаях могут даже превышать 100 дБ/км. Основная причина возникновения этих потерь кроется в процессе производства кабеля. Она связана с искривлениями оси, которые неизбежно происходят в процессе производства кабеля, когда волокно сдавливается недостаточно гладкими внешними покрытиями. Потери от микроизгибов являются функцией диаметра поля моды, конструкции кабеля и его исполнением. Потери от затухания, вызванного микроизгибами, уменьшаются с диаметром поля моды.

Макроизгибы соотносят с некоторым определенным малым радиусом. Производитель кабеля должен указать в спецификации минимальный радиус изгиба. Когда кабель намотан на катушку, то он, конечно, сгибается по радиусу катушки. Если он прокладывается, в частности, в зданиях, то он может сгибаться на углах. Укладчик не должен уменьшать радиус изгиба меньше минимально допустимого при любой необходимости обхода углов. Обычно предполагается, что типичный радиус изгиба ВОК должен быть между 10 и 30 см в зависимости от числа волокон в кабеле. Сгибая ВОК сильнее, чем это допускается ограничениями на радиус изгиба, можно по-вредить кабель, даже порвать волокна в кабеле. Это может также вызвать существенное увеличение затухания волокна.

На рис. 1.5 показаны различия между микроизгибами и макроизгибами.

Рис. 1.5. Рисунок, иллюстрирующий макроизгибы (слева) и микроизгибы (справа).

 

1.4 Диаметр оптоволокна

 

Проектировщики ВОСП и монтажники часто ссылаются на типоразмер кабеля в терминах «сердцевина/оболочка». Например, кабель может быть специфицирован как 50/125, что означает, что диаметр  сердцевины — 50 мкм, а оболочки — 125 мкм. В этом случае мы сразу можем  сказать, что это волокно относится  к классу многомодового, благодаря  диаметру его сердцевины. Если бы это  было одномодовое волокно, то диаметр  его сердцевины был бы 7-10 мкм.

Внешняя поверхность оболочки имеет  специальное покрытие, внешний диаметр  которого 250-500 мкм. В табл. 1.1 приведены основные физические размеры наиболее общих типов ОВ. Значение 900 мкм в последней колонке указывает на использование плотной буферной оболочки, тогда как значения 2000-3000 мкм соответствуют свободной буферной оболочке.

 

Таблица 1.1 - Основные размеры оптического волокна (в мкм)

Тип	Сердцевина	Оболочка	Покрытие	Буфер или трубка
I	7-10	125	250 или 500	900 или 2000-3000
II	50	125	250 или 500	900 или 2000-3000
III	62,5	125	250 или 500	900 или 2000-3000
IV	85	125	250 или 500	900 или 2000-3000
V	100	140	250 или 500	900 или 2000-3000

 

 

2 Характеристики оптического волокна

 

2.1. Оптические  характеристики

 

Как отмечалось ранее, в одномодовом  волокне распространяется только одна мода на рабочей длине волны. В  этой категории оптического волокна  мы имеем следующие типы: стандартное  одномодовое волокно, волокно со сдвигом нулевой дисперсии и  волокно с малой ненулевой  дисперсией. Они зависят от конструкции  волокна. При тестировании этих типов  волокон, нужно помнить, что источник света (лазерный диод или СИД) не является строго монохроматичным, а его выходное излучение покрывает определенную полосу длин волн. В результате того, что время распространения спектральных компонент различно, происходит уширение импульсов. Степень такого уширения пропорциональна спектральной ширине используемого источника. Близкие  к монохроматическим (использующие одну продольную моду) лазерные источники (SLM-лазеры), как правило это лазеры с распределенной обратной связью, допускают нормальную работу с одномодовым  волокном на длинах волн, которые отстоят  от длины волны нулевой дисперсии  дальше, чем это позволяют делать лазеры, использующие несколько продольных мод (MLM-лазеры).

Стандарты EIA/TIA — классифицируют одномодовые  волокна в соответствии с их дисперсионными характеристиками. Существуют одномодовые  волокна без сдвига нуля, которые  имеют длину волны нулевой  дисперсии в районе 1310 нм (эти  волокна обычно называют стандартными одномодовы-ми волокнами). Эти волокна  по классификации EIA/TIA соответствуют  классу IVa. Существуют также два типа волокна со сдвигом дисперсии. Один — со сдвигом нуля дисперсии в  область 1550 нм (эти волокна обычно называют одномодовыми волокнами со сдвигом дисперсии), который классифицируется EIA/TIA как волокно класса IVb. Другой - с ненулевой смещенной дисперсией, имеет ненулевую (но небольшую по величине) дисперсию в определенной области в окне прозрачности 1550 нм.

Это волокно классифицируется как  волокно класса IVd.

В диапазоне 1550 нм затухание волокна  может быть значительно ниже, чем  в районе 1310 нм для любого типа волокон. Однако дисперсия волокон, спроектированных со сдвигом дисперсии, на длине волны 1310 нм может быть существенно выше, чем дисперсия на той же длине  волны, но у волокон без сдвига дисперсии.

 

2.2. Механические  характеристики

 

Одним из основных свойств  оптического волокна является его  прочность. Однако, в процессе изготовления на поверхности волокна появляются микроскопические изъяны, которые заметно  ухудшают базовую прочность. Благодаря  процессу производства кабеля и укладке  волокна в кабель, происходит дальнейшее ухудшение прочности волокна. Ухудшение  прочности и обрыв волокна в результате роста изъянов (трещин) на поверхности можно объяснить тремя причинами: динамической усталостью, статической усталостью и старением в отсутствие нагрузки. Многие монтажники ВОК работали раньше на монтаже медных кабелей, которые имеют совершенно отличные механические характеристики. Динамическая усталость возникает при кратковременном приложении значительных растягивающих усилий. Это соответствует типичному сценарию, когда ВОК затягивается на место через кабелепровод или протягивается вдоль направляющих труб/лотков. Статическая усталость, наоборот, приобретается тогда, когда кабель длительное время находится под постоянной нагрузкой. Старение в отсутствие нагрузки относится к такому типу ухудшения прочности, который происходит в условиях отсутствия нагрузки на кабель, но под действием высокой окружающей температуры и влажности.

Волокно с выровненным или с  профильным показателем преломления  оболочки

В наиболее простой конструкции  одномодового волокна его оболочка имеет выровненный (одинаковый) показатель преломления вдоль всего сечения  оболочки. Такая конструкция волокна  формирует плоский пьедестал профиля показателя преломления (ППП) вплоть до границы с сердцевиной. Это способствует единообразию характеристик волокон, что особенно важно, когда различные волокна должны быть объединены в одну существующую сеть. Волокно с плоским пьедесталом ППП обеспечивает, в принципе, несколько меньшее затухание и большее значение диаметра поля моды (области, занятой световым потоком одномодового волокна, диаметр которой больше физического диаметра сердцевины), чем в случае использования конструкции волокна с профильным ППП.