Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики (2009), страница 13

В этом случае хроматическая дисперсиястановится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией. Для учета вклада поляризационной модовой дисперсии в результирующую дисперсию следует добавитьслагаемое τ pmd :2τ 2 = τ 02 + τ 2mod + τ chr+ τ 2pmd .(11.14)Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является некруглость (овальность) профилясердцевины одномодового волокна, возникающая в процессеизготовления или эксплуатации волокна. Стандартные волокнастремятся изготавливать с как можно меньшей нециркулярностью, однако добиться идеального профиля волокна невозмож-102но. Есть несколько факторов роста анизотропии профиля волокна [12]:•несовершенство заводского процесса вытяжки волокон,•скрутка волокон при изготовлении кабеля,•изгибы кабеля и как следствие механические деформации волокон,•изменения температуры окружающей среды, ветровыенагрузки, деформации вследствие обледенения для подвесных волоконно-оптических кабелей.Из-за наличия динамических факторов даже в пределах отдельного сегмента волокна невозможно определить направление поляризации сигнала.

С другой стороны, в местах соединения волокон или изгибах происходит взаимодействие или смешениеортогональных мод. Следовательно, результирующая поляризационная модовая дисперсия носит случайный характер и пропорциональна корню квадратному из длины оптической линиисвязи L:Δt pmd = D pmd L ,(11.15)τ pmd =Δt pmdL=D pmdL,(11.16)где D pmd - коэффициент поляризационной модовой дисперсии.Существенным отличием поляризационной модовой дисперсии от хроматической является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в товремя как развитых методов компенсации влияния поляризационной модовой дисперсии в настоящее время не разработано.11.5.

Компенсация дисперсииКлассический подход компенсации хроматической дисперсии состоит в следующем: в систему передачи добавляют компоненты с постоянной отрицательной хроматической дисперсией, чтобы свести к нулю накопленную хроматическую дисперсию линии передачи. При тщательном проектировании эта технология позволяет значительно увеличить длину линий переда-103чи со скоростями до 10 Гбит/с. Успех методов статической компенсации зависит от того, насколько хорошо постоянная дисперсия компенсирующего кабеля или других компонентов согласуется с дисперсией линии передачи.Логическим развитием методов компенсации стало использование таких компонентов, дисперсия которых может перестраиваться как по величине, так и по длине волны, что допускает возможность динамической компенсации.

Для динамической компенсации используется обратная связь, в которой измеренное значение дисперсии используется при выработке управляющего сигнала для устройства компенсации дисперсии.ВыводыНа основе выводов из предыдущей лекции, касающихсяприроды материальной дисперсии, получена формула для расчета материальной дисперсии в оптических волокнах. Показано,что материальная дисперсия в оптических волокнах определяется величиной второй производной от показателя преломления∂ 2n.

Рассмотрены хроматическая дисперсия и понятие длины∂λ2волны нулевой дисперсии, поляризационная модовая дисперсия.Рассмотрен учет совместного влияния различных видов дисперсии.Вопросы и задачи11.1. По какой формуле рассчитывается материальная дисперсияпри распространении сигнала в объемной среде?11.2. Что такое ширина спектра источника излучения?11.3. В каких единицах измеряется материальная дисперсия?(см. лекцию № 10)11.4.

Что такое хроматическая дисперсия?11.5. Что такое длина волны нулевой дисперсии?11.6 Что такое ПМД (поляризационная модовая дисперсия)?11.7. В каких единицах измеряется поляризационная модоваядисперсия?11.8. Как учесть совместное влияние различных видов дисперсии?10411.9. Можно ли скомпенсировать поляризационную модовуюдисперсию?11.10. Оценить расстояние Lo, при котором хроматическая иполяризационная модовая дисперсиясравниваются повеличине, если коэффициент хроматической дисперсииD=2 пс/(нм⋅км), коэффициент поляризационной модовойдисперсии D pmd = 0,5 пс / км , а ширина спектральногоизлучения Δλ = 0,05 нм .ЛЕКЦИЯ 12Затухание в волокне.12.1.

Потери в оптических волокнахНа затухание света в волокне влияют такие факторы, как потери на поглощении, потери на рассеянии, кабельные потери.Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу ихприроды называют также дополнительными потерями.ЗатуханиеСобственныеα intпотериПотери напоглощенииα absКабельныепотериПотери нарассеянииα radα sctРис. 12.1.

Основные типы потерь в волокнеПолное затухание в волокне определяется в виде суммы иизмеряется в дБ/км:α = α int + α rad = α abs + α sct + α rad .(12.1)105Рис. 12.2. Поглощение в одномодовом кварцевом волокне (поданным [4]).Рассмотрим потери на поглощении. Как было показано ранее в п.10.3, ответственные за материальную дисперсию электронные и атомные резонансы вызывают также поглощение вокрестностях резонансных частот. Для интересующих нас материалов это резонансы в ультрафиолетовой области спектра, связанные с колебаниями оптических электронов, и резонансы винфракрасной области, обусловленные колебаниями атомовкристаллической решетки.

Хотя эти резонансы и лежат весьмадалеко от тех частот, которые используются в оптических линиях связи, однако они вызывают столь сильное поглощение, что106хвосты их полос поглощения захватывают эту область приочень малом уровне потерь (см. рис. 12.2).Край ультрафиолетовой и инфракрасной полос поглощенияиграет важную роль в материалах, используемых для изготовления оптических волокон. Однако эти материалы могут такжесодержать примеси, способные вызвать поглощение на интересующих нас длинах волн.

Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь (рис.12.2).Следует отметить характерный максимум поглощения в районе1480 нм, который соответствует парам воды. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь до настоящего времени практически не использовалась.

Однако, в последние годы разработана принципиально новая технология изготовления оптических волокон, исключающая наличие паров воды в оптическом волокне, что позволилоговорить об открытии для передачи нового окна прозрачности.Потери на рассеянии. По своей природе кварцевой волокноявляется неупорядоченной структурой, в которой имеются микроскопические отклонения от средней плотности материала, атакже локальные микроскопические изменения в составе. Каждое из указанных изменений приводит к флуктуациям показателя преломления в пределах областей, размер которых мал посравнению с длиной волны оптического диапазона. Рассеяниесвета на таких микроскопических неоднородностях называетсярэлеевским рассеянием.Потери, обусловленные рэлеевским рассеянием, могут бытьминимизированы путем более тщательного контроля процессаохлаждения расплава, из которого затем будет вытягиваться волокно.

Характерная особенность данного явления состоит в том,что рассеиваемая мощность, а, следовательно, и потери обратнопропорциональны длине волны в четвертой степени. Из рис.12.2 видно, что именно рэлеевской рассеяние, а не край полосыультрафиолетового поглощения является основной причинойпотерь в кварцевых оптических волокнах но длинах волн короче1500 нм.Кабельные потери α rad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении по-107крытий и защитных оболочек, производства кабеля и его прокладки.

При современном уровне производства при соблюдениитехнических условий вклад со стороны кабельных потерь должен быть минимальным.Длина волны отсечки определяется как наименьшая длинаволны, при которой в волокне реализуется одномодовый режимраспространения излучения. Длина волны отсечки зависит отнатяжения волокна, радиуса изгиба волокна, сжатия и т.д. Поэтому длина волны отсечки оптического кабеля меньше длиныволны отсечки свободного волокна.12.2. Оптимальная длина волны для кварцевогооптического волокна. Потенциальные ресурсыоптического волокнаОсновными характеристиками системы связи являются полоса пропускания и расстояние между ретрансляторами, а определяющими параметрами волокна - дисперсия и потери.

Современные оптические волокна оптимизированы для передачи надлинах волн 850 нм, 1310 нм, 1550 нм. Первые линии связи намногомодовых волокнах работали в окне прозрачности вблизидлины волны 850 нм (это первое окно прозрачности). Эта длинаволны соответствует самым распространенным источникам излучения из арсенида галлия. Линии магистральной и внутризоновой связи работают во втором окне прозрачности вблизи длины волны 1310 нм (1285÷1330 нм). Длина волны 1310 нм соответствует длине волны нулевой дисперсии кварцевого волокна,причем в окрестностях 1310 нм имеет место локальный минимум потерь (рис. 12.2).Длина волны 1550 нм соответствуетминимальным потерям в волокне (это третье окно прозрачности).

Наиболее перспективными для высокоемких сетей связиявляются третье (1530÷1565 нм) и четвертое (1565÷1625 нм) окна прозрачности, в которых все современные типы оптическихволокон имеют наименьшее затухание (0,18÷0,20 дБ/км).Не принимая во внимание дисперсию, рассмотрим потенциальные возможности волокна [3]. Длина волны и частота светового излучения связаны между собой формулойν =c/λ.(12.2)108Продифференцируем по λ :dνc(12.3)=− 2 .dλλСледовательно, окну Δλ вокруг λ 0 соответствует окно Δν ,которое определяется по формулеΔν = c ⋅ Δλ / λ20 .(12.4)Если λ 0 = 1310 нм и Δλ = 200 нм , то Δν ≈ 35 ТГц , если жеλ 0 = 1550 нм и Δλ = 200 нм , то Δν ≈ 25 ТГц . Наиболее подходящим с точки зрения магистральных протяженных сетей является окно 1550 нм, поскольку в этом окне достигается минимальное затухание сигнала.