Распространение света в оптоволокне

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Реферат Распространение света в оптоволокне Выполнила: студентка 6 курса физико-технического факультета, гр.21 611

Кременецкая Ольга Вячеславовна Петрозаводск 2010

• Введение
• Преимущества и недостатки ВОЛС
• Преимущества оптоволокна
• Недостатки ВОЛС
• Каналы утечки информации в волоконно-оптических сетях
• Методы формирования каналов утечки
• Способы защиты
• Устройство оптоволокна
• Материалы для оптоволокна
• Размеры оптоволокна
• Типы оптоволокна по индексу преломления и модовой структуре света
• Одномодовое волокно
• Многомодовое волокно
• Дисперсия сигналов в оптоволокне
• Затухание сигнала в оптоволокне
• Литература

Характерной чертой информационной эры является бурное развитие коммуникаций — одной из составляющих инфраструктуры информационных технологий. В условиях возросшей потребности в обеспечении надежного канала связи как в сфере построения глобальных информационных сетей, так и в области промышленной автоматизации возникла необходимость поиска альтернативных технологий передачи данных взамен традиционных, основанных на медном кабеле. Эта альтернатива — волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС).

Оптоэлектроника — раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна.

Преимущества и недостатки ВОЛС

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации, волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Многие из недостатков вероятнее всего будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.

Преимущества оптоволокна:

1) Высокая скорость передачи информации.

Широкополосность оптических сигналов, обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей (f₀=10¹⁴ Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹² бит/с или 1 Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Однако используемый в настоящее время диапазон еще далек от этого предела и составляет порядка 100 Гбит/с.

Полоса пропускания ВОЛС значительно перекрывает полосу пропускания, необходимую для передачи звуковых сигналов, что обеспечивает передачу телевизионного сигнала или организацию телеконференций, для которых требуется информационная емкость в 14, а иногда и в 100 раз большая, чем для цифрового кодирования звуковых сигналов. Полоса пропускания волоконной оптики допускает мультиплексирование различных сигналов, например звуковых, видео или передачу данных. Поэтому волоконно-оптические линии связи начинают применяться не только для передачи на большие расстояния, но и в коммерческих и бытовых системах.

Скорость передачи может быть увеличена вдвое за счет того, что по одному волокну можно передавать одновременно в двух направлениях. Скорость можно поднять еще в два раза благодаря использованию волн перпендикулярных друг другу поляризаций. Также осуществляется частотное уплотнение по оптоволоконным линиям связи, т. е. передача разных сигналов на разных длинах волн.

2) Низкие потери.

Потери (затухание) определяют расстояние, на которое может передаваться сигнал. По мере того как сигнал перемещается по передающей линии, будь это медный кабель или оптическое волокно, его амплитуда уменьшается. Это уменьшение амплитуды называется затуханием. В медном кабеле затухание увеличивается с ростом частоты модуляции. Напротив, в оптическом кабеле затухание не зависит частоты и остается постоянным в определенном диапазоне частот, вплоть до очень высоких, и как правило, неиспользуемых частот.

Чем меньше потери при передаче сигнала, тем меньше требуется повторителей — дорогостоящих электронных устройств, требующих существенных затрат на установку и обслуживание. Уменьшение количества повторителей приводит к снижению стоимости системы.

Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные», так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

В действительности, не все оптические кабели имеют низкие потери и широкую полосу пропускания. В тех случаях, когда потери и высокие скорости не являются критическими, например, в автомобилестроении, достаточно хорошо работают более дешевые оптические линии. В автомобиле главным является защита от шума, источником которого является система впрыска. Другие уникальные характеристики оптоволокна делают его наиболее подходящей передающей средой во множестве различных областей техники.

3) Нечувствительность к электромагнитным помехам.

В отличие от медных кабелей, оптоволокно не излучает и не воспринимает электромагнитные волны. Любой медный проводник действует подобно антенне, которая излучает и принимает электромагнитную энергию. Каждая часть электронного устройства может создавать электромагнитные наводки (ЭМН), влияющие на работу других частей устройства.

Важнейший результат нечувствительности оптического волокна к наводкам от электромагнитного излучения заключается в том, что световые сигналы не искажаются под влиянием ЭМН. Цифровая передача предполагает пересылку сигнала без ошибок. ЭМН могут быть причиной ошибок в электронных системах передач. Всплеск ЭМН может привести к возникновению пика, в то время, как в исходном сигнале никакого пика не было. Таким образом, оптические волокна открывают новые возможности для передачи сигнала без искажений.

4) Малый вес и размер.

Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

Волоконно-оптический кабель той же информационной емкости, что и медный, весит меньше медного, поскольку последний требует большего количества линий. Например, обычный одножильный волоконно-оптический кабель имеет вес 9 фунтов/1000 футов. Для сравнения, коаксиальный кабель весит в 9 раз больше — 80 фунтов/1000 футов.

Оптический кабель меньше по размеру, чем его медный аналог. Кроме того, достаточно часто одно оптическое волокно может заменить несколько медных проводников. Медный кабель диаметром 4.5 дюйма может передавать 40 300 двухсторонних разговоров на короткие расстояния. Волоконно-оптический кабель диаметром 0.5 дюйма, содержащий 144 волокна, обеспечивает 24 192 разговора на каждую волоконно-оптическую пару или около 1.75 миллионов звонков на весь кабель в целом. Таким образом, емкость волоконно-оптического кабеля существенно превосходит емкость коаксиального, несмотря на то, что его диаметр почти в 10 раз меньше.

5) Пожарои взрывобезопасность.

Волокно является диэлектриком и не проводит ток. Его использование безопасно с точки зрения искрои пожаробезопасности. Более того, волокно не притягивает молнии. Волоконно-оптический кабель может также использоваться в опасных местах, в которых из соображений безопасности вообще не применялись кабели. Например, волокно можно проложить прямо через топливный бак.

6) Долговечность.

Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

7) Сложность прослушки сигнала без нарушения приема/передачи.

Волоконно-оптические линии передачи отличаются высокой защищенностью в виду того, что:

— Электромагнитное поле направляемой волны локализовано вблизи сердцевины волокна на масштабах десятков микрометров, что затрудняет доступ к информации по сравнению с СВЧ волноводами и тем более радиосигналами.

— Повреждение волновода в большинстве случаев приводит обрыву соединения и мгновенному обнаружению несанкционированного доступа

— Компании, занимающиеся волоконно-оптическими линиями передачи, обеспечивают высокую физическую защищенность кабелей. Так, например, трансокеанские линии связи на шельфе покрыты толстой металлической оболочкой.

— Оптические каналы связи характеризуются высокой скоростью передачи информации (сотни Гбит/c), что достигается использованием коротких световых импульсов (десятки и сотни пикосекунд). В связи с этим для перехвата информации требуются высокочувствительные и быстрые детекторы, что делает несанкционированный доступ чрезвычайно дорогим.

— В кабеле линии связи обычно находится значительное число отдельных волокон, что приводит к тому, что доступ к каждому из волноводов в отдельности сильно затруднён.

— ВОЛП защищены от помех, создаваемых источниками электромагнитного излучения, стойки к колебаниям температуры и влажности.

Ранее считалось, что ВОЛП обладают повышенной скрытностью, однако всегда существует принципиальная возможность съёма информации, передаваемой по оптическим каналам связи. Существуют методы, потенциально позволяющие осуществить перехват информации. ВОЛС состоят из стационарного оборудования, размещаемого на сертифицированных объектах, и линейного тракта, представляющего собой волоконно-оптические кабели и усилители оптического сигнала, которые устанавливаются каждые 50−80 км. Защита первой составляющей обеспечивается точно так же как и защита любого аналогичного объекта и имеет мало особенностей, в то время как вторую составляющую защитить на всем её протяжении невозможно, ввиду невозможности охватить десятки тысяч километров.

Недостатки ВОЛС:

1) Хрупкость;

Стекло как материал теоретически выдерживает колоссальные нагрузки с пределом прочности на разрыв выше 1ГПа (109 Н/м²). Это казалось бы означает, что волокно в единичном количестве с диаметром 125 мкм выдержит вес гири в 1 кг. К сожалению, на практике это не достигается. Причина в том, что оптическое волокно, каким бы совершенным оно не было, имеет микротрещины, которые инициируют разрыв. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам оптический кабель упрочняется, например нитями на основе кевлара (kevlar). Если требуется удовлетворить еще более жестким условиям на разрыв, кабель может упрочняться специальным стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями. Но все это влечет увеличение стоимости оптического кабеля.

2) Сложность изготовления;

3) Снижение эффективности с течением времени.

Особенность всех оптоэлектронных преобразований и процессов распространения излучения в веществе (обусловленная малостью длины волны света) — их исключительно высокая чувствительность к нарушениям оптической однородности материалов и даже к субмикронным включениям. К появлению таких дефектов приводит воздействие температуры, проникающей радиации, а также длительная эксплуатация. Степень деградации физических свойств волокна при длительной работе зависит от многих факторов, однако всегда неизбежно помутнение оптических сред и ухудшение светопропускания на границе разнородных материалов.

4) Дороговизна оборудования, монтажа и обслуживания.

Электрические сигналы должны преобразовываться в оптические и наоборот. Цена на оптические передатчики и приемники остается пока еще довольно высокой. При создании оптической линии связи также требуются высоконадежные специализированное коммутационное пассивное оборудование, оптические соединители с малыми потерями и большим ресурсом на подключение-отключение, оптические разветвители, аттенюаторы.

Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если же повреждается ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Производители тем временем поставляют на рынок все более совершенные инструменты для монтажных работ с ВОК, снижая цену на них.

5) Электроника отстает от оптики по частотам.

Каналы утечки информации в волоконно-оптических сетях

Основные физические принципы формирования каналов утечки в ВОЛС можно разделить на следующие типы:

— Нарушение полного внутреннего отражения;

— Регистрация рассеянного излучения на длинах волн основного информационного потока и комбинационных частотах;

— Параметрические методы регистрации проходящего излучения.

Способы, связанные с нарушения полного внутреннего отражения:

— Изменение угла падения. Использование внешнего воздействия для уменьшения угла падения до значения, меньшего значения предельного угла падения, при котором начинает наблюдаться полное внутреннее отражения.

— Изменение отношения показателя преломления оболочки к показателю преломления сердцевины оптоволокна. Использование внешнего воздействия для увеличения угла полного внутреннего отражения до значений, больших характерных углов падения в световоде.

— Оптическое туннелирование. Оптическое туннелирование состоит в прохождении излучения через оболочку оптоволокна с показателем преломления меньшим, чем у сердцевины, при углах падения больших угла полного внутреннего отражения.

Методы формирования каналов утечки:

1. по способу подсоединения:

1.1 безразрывный;

1.2 разрывный;

1.3 локальный;

1.4 протяженный.

2. по способу регистрации и усиления:

2.1 пассивные — регистрация излучения с боковой поверхности ОВ;

2.2 активные — регистрация излучения, выводимого через боковую поверхность ОВ с помощью специальных средств, меняющих параметры сигнала в ВОЛТ;

2.3 компенсационные — регистрация излучения, выводимого через боковую поверхность ОВ с помощью специальных средств с последующим формированием и вводом в ОВ излучения, компенсирующего потери мощности при выводе излучения

Пассивные методы основаны на том, что даже в стационарном режиме в обычных условиях небольшая часть рассеянного излучения всё же проникает за пределы волокна (то есть излучается) и может являться каналом утечки информации. Основной идеей является увеличение интенсивности этого излучения. Для несанкционированного доступа к информации с использованием такого рода методов необходимо использовать места усиленного бокового излучения, то есть следует снимать излучение в местах изгибов, а также в местах сварных соединений и соединений волокна с усилителями. Однако значительная мощность излучения наблюдается лишь в местах разъёмных соединений, то есть в коммутационных центрах, что сильно затрудняет несанкционированный доступ.

Активные методы выводят обычно бомльшую мощность, но при этом происходит изменение параметров распространяющейся в волноводе волны (значительно падает поток энергии, возникает отражённая волна, изменяется модовая структура волны и т. д.), что может привести к обнаружению несанкционированного доступа. Таковыми методами являются, например: механический изгиб волокна, подключение фотоприемника с помощью ответвителя, вдавливание зондов в оболочку, бесконтактное соединение волокна, шлифование и растворение оболочки.

Естественным желанием является объединить скрытность и эффективность. Компенсационные методы призваны воплотить эту идею. Одна их реализация достаточна сложна в связи с наличием принципиальных ограничений. Так, например, вывод излучения из боковой поверхности волокна, формирование и обратный ввод волны, которая скомпенсирует выводимую мощность, должны осуществляться с высокой эффективностью к единице, тем не менее, распределение параметров волокна носит вероятностный характер, что мешает достичь желаемой скрытности. Технические реализации устройств такого рода, позволяющие на практике использовать компенсационные способы съёма информации в настоящее время не известны.

Способы защиты

В связи с наличием потенциальной угрозы несанкционированного съёма информации в всем мире ведутся работы по защите ВОЛП. Выделяют три основных направления:

— разработка технических средств защиты от несанкционированного доступа к информационным сигналам;

— разработка технических средств контроля несанкционированного доступа к информационному оптическому излучению;

— разработка технических средств защиты информации, передаваемой по оптоволокну, реализующих принципы маскировки, добавления помех, оптической и квантовой криптографии.

Из практически реализованных и доведенных до уровня промышленного производства следует отметить систему защиты ВОЛС от НСД, основанную на двух принципах:

— снижение мощности передаваемых по ВОЛС оптических сигналов до уровня, при котором мощность побочного излучения от ОВ становится меньше порога чувствительности фотоприемного устройства, осуществляющего съем информации с боковой поверхности ОВ;

— контроль уровня мощности оптических сигналов на конце ВОЛС с высокой точностью и прекращение обмена информацией (блокировка) при регистрации дополнительных потерь, возникающих при попытке съема информации путем физического воздействия на волокно с целью увеличения уровня бокового излучения (например, изгиб волокна с радиусом, близким к предельно допустимому) или с целью подключения направленного оптического ответвителя.

Сочетание этих методов обеспечивает при любых условиях эксплуатации длину регенерационного участка до 3-х км для многомодовых ОВ и до 5-ти км для одномодовых ОВ.

Устройство оптоволокна

Оптическое волокно (световод) имеет два концентрических слоя — ядро (сердцевина) и оптическая оболочка (рис.1). Внутреннее ядро предназначено для переноса света. Окружающая его оболочка имеет отличный от ядра показатель преломления и обеспечивает полное внутреннее отражение света в ядро. Показатель преломления оптической оболочки менее чем на 1% меньше показателя преломления ядра. Характерные величины показателей преломления — 1,479 для ядра и 1,474 — для оптической оболочки. Производители волокна строго контролируют разность показателей для получения нужных характеристик волокна.

Рис. 1. Устройство оптоволокна.

Таблица 1. Показатели преломления материалов, используемых в оптоволокне:

Ядро и оптическая оболочка могут быть изготовлены из одного материала (например, особо чистого кварцевого стекла), изменение показателя преломления при этом достигается подбором специальных добавок, вводимых в чистый расплав кварца. Этот процесс называется легированием. В качестве легирующего вещества чаще всего выступают окислы германия (GeO₂), фосфора (P₂O₅), бора (B₂O₃), фтор (F), эрбий (Er) и неодим (Nd). В частности, фтор и окись бора уменьшают показатель преломления, а окись германия и окись фосфора его увеличивают.

Волокна имеют дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет ядро и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов.

Современные оптоволоконные кабели представляют собой довольно сложную конструкцию, — оптоволоконный сердечник окружён несколькими слоями из разных материалов (металлов и полимеров), призванных в первую очередь защищать его от воздействия внешней среды. Кроме того, по самому кабелю проходит электрический ток (постоянный), обеспечивающий питание промежуточных усилителей. Эти усилители располагаются вдоль всего кабеля на расстоянии порядка ста километров друг от друга, — ставить их ближе друг к другу не только не нужно, но и вредно, поскольку сами эти усилители могут наводить некоторые искажения в сигнал.

Рис. 2. Подводный оптоволоконный кабель Рис. 3. Распространение света в оптоволокне ВОЛС используют оптоволоконные кабели, которые состоят из десятков и сотен волокон.

Строение подводного оптоволоконного кабеля:

1. Полиэтилен.

2. Лавсановая плёнка.

3. Витые стальные провода.

4. Алюминиевый «водный барьер» .

5. Поликарбонат.

6. Медная или алюминиевая трубка.

7. Углеводородный гель.

8. Оптоволокно.

При вводе света внутрь волокна под углом, большим критического, свет, испытывая полное внутреннее отражение, будет двигаться зигзагообразно вдоль сердечника оптоволокна (рис.3). Свет, попадающий на границу под углом, меньшим критического, будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка обычно не предназначена для переноса света, и свет в ней достаточно быстро затухает. Лучи, при движении пересекающие ось световода, называются меридиональными. Часть лучей, называемых косыми (асимметричными), будет двигаться по спиралеобразной траектории, не пересекая ось волокна; при анализе волоконно-оптических процессов они, как правило, не учитываются. Используемые материалы, состав и размеры компонентов, а также процесс инжекции света внутрь волокна определяют физические параметры и особенности оптоволокна.

Материалы для оптоволокна

По материалу оптоволокно может быть:

1. Стеклянные волокна имеют как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку. Стекло, используемое в данном типе волокон, состоит из сверхчистого сверхпрозрачного диоксида кремния или плавленого кварца, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла.

2. Стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой (PCS) имеют стеклянное ядро и пластиковую оптическую оболочку. Их характеристики, хотя и не столь хорошие, как у полностью стеклянного волокна, являются вполне приемлемыми.

3. Пластиковые волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку. По сравнению с другими видами волокон пластиковые имеют ограниченные возможности с точки зрения затухания и полосы пропускания. Однако низкая себестоимость и простота использования делают их привлекательными там, где требования к величинам затухания и полосе пропускания не столь высоки. Пластиковые волокна являются достаточно прочными, с малым радиусом изгиба и способностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Этот тип волокон находит применение в автомобилестроении, музыкальных системах, различной бытовой технике.

Размеры оптоволокна

Таблица 2. Поперечные сечения и диаметры для ядра и оптической оболочки четырех наиболее распространенных видов волокон:

Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр около 100 микрон.

При указании размеров волокна вначале приводится значение диаметра ядра, а затем оптической оболочки: например, 50/125 означает диаметр ядра 50 микрон и диаметр оптической оболочки 125 микрон.

Реальный размер оптоволоконного кабеля, конечно, больше, чем диаметр оболочки, так как он имеет гораздо более сложную структуру, чем в теории. Кроме отражающей оболочки, оптоволокно окружается пластиковым буфером, элементом прочности и внешней оболочкой. Наконец, в одном кабеле могут объединяться десятки и сотни оптических волокон, так что диаметр кабеля существенно превосходит диаметр отдельного оптоволокна.

Типы оптоволокна по индексу преломления и модовой структуре света

Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ) и одномодовые (SM), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Одномодовое волокно

Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды (точнее двух вырожденных мод с ортогональными поляризациями), электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Основные типы одномодовых волокон:

1) Ступенчатое одномодовое волокно В ступенчатом одномодовом волокне (SF) диаметр светонесущей жилы составляет 8−10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света l > l_CF (l_CF — длина волны отсечки) распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет модовую дисперсию (см.ниже) и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3−0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2−0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

Рис. 4. Ступенчатое одномодовое волокно Рис. 5. Одномодовое волокно со смещенной дисперсией

2) Одномодовое волокно со смещенной дисперсией В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF) длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль, — длина волны нулевой дисперсии l₀ — смещена в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм.

3) Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей «полностью оптических сетей» — сетей, на узлах которых не происходит оптоэлектронного преобразования при распространении оптического сигнала. По профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна.

Многомодовое волокно

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Рис. 6. Ступенчатое многомодовое волокно Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. Диаметр сердцевины такого волокна находится в пределах 100−970 мкм. Стандартные размеры волокон, например: 100/140, 200/240.

Поскольку свет испытывает отражение под разными углами на разных траекториях (в различных модах), длина пути, соответствующая различным модам, тоже отличается. Таким образом, различные лучи затрачивают меньше или больше времени на прохождение одной и той же длины волокна. Лучи, которые движутся вдоль центральной оси ядра без отражений, достигают противоположного конца волокна первыми. Косые лучи появляются позднее. Свет, попадающий в волокно в одно и то же время, достигает противоположного конца в различные моменты времени. Сетевой импульс расплывается по времени.

Рис. 7. Профили показателя преломления в многомодовых волокнах Это расплывание называется модовой дисперсией. Импульс света, который имел первоначально узкий, строго определенный профиль, в дальнейшем расширяется во времени. Дисперсия может быть обусловлена несколькими причинами. Модовая дисперсия возникает в результате различных длин траекторий, соответствующих различным модам волокна.

Типичное значение модовой дисперсии для волокна со ступенчатым профилем показателя преломления составляет от 15 до 30нсек/км. Это означает, что лучи света, попадая в волокно одновременно, достигают противоположного конца волокна длиной в один километр с интервалом от 15 до 30 наносекунд. При этом первыми приходят лучи, двигающиеся вдоль центральной оси.

Несмотря на большую дисперсию, многомодовое оптоволокно со ступенчатым профилем показателя преломления является очень распространенным в силу более низких требований к технологическому оборудованию для его производства и используемому материалу. Данное волокно может иметь сердечник из стекла и оптическую оболочку из полимера (PCS) или быть полностью изготовленным из пластика.

В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса.

Так как свет движется быстрее по среде с меньшим показателем преломления, то чем дальше расположена траектория светового луча от центра, тем быстрее он движется. В отличие от ситуации со ступенчатым профилем показателя преломления, когда свет отражается от резкой границы между ядром и оптической оболочкой, здесь свет постоянно и боле плавно испытывает отражение от каждого слоя ядра. При этом его траектория отклоняется к центру и становится похожей на синусоидальную. Лучи, которые проходят более длинные дистанции, делают это большей частью по участкам с меньшим показателем преломления, двигаясь при этом быстрее. Свет, распространяющийся вдоль центральной оси, проходит наименьшую дистанцию, но с минимальной скоростью. В итоге все лучи достигают противоположного конца волокна одновременно. Использование сглаженного профиля показателя преломления приводит к уменьшению дисперсии до 1 нсек/км и менее.

Чаще всего у градиентных световодов профиль показателя преломления близок к параболе, такие световоды называют параболическими. Для оптимизации работы на какой-либо одной длине волны используется и более сложная структура профиля (рис.7).

Рис. 8. Градиентное многомодовое волокно Популярные виды данного типа волокон имеют диаметры ядер 50, 62.5, и 85 микрон, а диаметр оптической оболочки 125 микрон. Эти волокна используются там, где требуются широкие полосы пропускания, в частности, в передаче телевизионного сигнала, локальных сетях, компьютерах и т. д. Волокно 62.5/125 является наиболее популярным и широко распространенным.

Таблица 3. Стандарты оптических волокон и области их применения:

Рис. 9. Распространение света и дисперсия в оптоволокне: многомодовое ступенчатое (а), градиентное (б) и одномодовое (в) оптические волокна.

Рис. 10. Оптоволокно с сохранением поляризации: а) с эллиптической напрягающей оболочкой, б) типа «PANDA», в) типа «галстук-бабочка».

В волоконно-оптических гироскопах и в волоконных интерферометрах используются световоды с сохранением поляризации излучения. В таких одномодовых световодах необходимая оптическая анизотропия сердцевины оптоволокна достигается вследствие эффекта фотоупругости. Различие упругих механических напряжений вдоль ортогональных направлений (x, y) в сечении световода создается благодаря своеобразному расположению напрягающих оболочек в структуре ВС.

Качество и физические свойства волокон могут сильно различаться. Термин «качество» рассматривается в широком смысле: лучшее качество означает более широкую полосу пропускания, большую, информационную емкость и низкие потери. Низкая стоимость и безопасность делают привлекательными другие типы волокон.

Волокна в соответствии с их качеством могут быть расставлены в следующем порядке:

— Одномодовое волокно

— Волокно со сглаженным индексом

— Стекло со ступенчатым индексом

— Пластиковые, PSC.

Дисперсия сигналов в оптоволокне

Дисперсия — расплывание светового импульса по мере его движения по оптическому волокну. Дисперсия ограничивает ширину полосы пропускания и информационную емкость кабеля. Скорость передачи битов должна быть при этом достаточно низкой, чтобы избежать перекрытия различных импульсов. Чем ниже скорость передачи сигналов, тем реже располагаются импульсы в цепочке и тем большая дисперсия допустима.

Дисперсия — уширение импульсов — имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле. Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

— различием скоростей распространения направляемых мод (модовой, или межмодовой, дисперсией);

— направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией),

— свойствами материала оптического волокна (материальной, или молекулярной, дисперсией).

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

На практике, особенно при описании многомодового волокна, чаще пользуются термином полоса пропускания. При расчете полосы пропускания W можно пользоваться формулой: W = 0,44 / t. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W — это максимальная частота модуляции передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания обратно пропорционально зависит от расстояния.

1) Модовая дисперсия Модовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам. Она возникает из-за того, что лучи, входящие в оптоволокно под разными углами, проходят различные пути и, следовательно, достигают противоположного конца волокна в различные моменты времени.

Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя способами:

1. Использование ядра с меньшим диаметром, поддерживающим меньшее количество мод.

2. Использование волокна со сглаженным индексом.

3. Использование одномодового волокна.

2) Хроматическая Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны.

Уровень дисперсии зависит от двух факторов:

1. спектральной ширины источника. Светодиод характеризуется большей спектральной шириной, чем лазер — около 35 нм для светодиода и от 2 до 3 нм для лазера.

2. центральной рабочей длины волны источника. В области 850 нм более длинные волны движутся быстрее по сравнению с более короткими. Волны длиной 860 нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. В области 1550 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волны длиной 1560 нм движутся медленнее, чем волны длиной 1540 нм. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией.

Диапазон длин волн от 820 до 850 часто используется для передачи во многих волоконно-оптических системах. В этом диапазоне длин волн молекулярная дисперсия равна примерно 0.1 нсек/нм ширины спектра.

Волноводная дисперсия обусловлена тем, что часть оптической энергии (до 20% от общей мощности) движется не по ядру, а по оптической оболочке. А так как они имеют различные показатели преломления, то излучение движется со слегка различающимися скоростями в ядре и оптической оболочке. Волноводная дисперсия зависит от совокупности таких геометрических параметров оптоволокна, как отклонение от круглой формы сечения, непостоянство диаметра, несоосность ядра и оболочки, непостоянство показателя преломления по длине оптоволокна и т. п.

Изменение внутренней структуры волокна позволяет существенно влиять на волноводную дисперсию, тем самым изменяя специфицированную общую дисперсию волокна. Это является одним из перспективных направлений разработки одномодовых систем.

3) Поляризационная Поляризационная модовая дисперсия возникает из-за анизотропии профиля показателя преломления сердцевины оптоволокна и как следствие — различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды.

Из-за небольшой величины поляризационная дисперсия может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/c и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

Рис. 11. Поляризационная дисперсия в оптоволокне В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды — две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью. Однако на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод.

Факторы роста анизотропии профиля волокна:

1. статические факторы:

— несовершенство заводского процесса вытяжки волокон;

— скрутка волокон при изготовлении волоконно-оптического кабеля;

— изгибы и как следствие механические деформации волокон проложенного кабеля;

2. динамические факторы:

— вариации температуры окружающей среды — для кабелей, проложенных в грунт;

— динамические деформации волокон (ветровые нагрузки, вариации температуры окружающей среды, деформации вследствие оледенения кабеля) — для подвесных кабелей.

Из-за наличия динамических факторов даже в пределах отдельного сегмента волокна невозможно определить направление поляризации сигнала после прохождения этого сегмента волоконный оптический сеть сигнал

Затухание сигнала в оптоволокне

Затуханием называется потеря оптической энергии по мере движения света по волокну. Величину потерь оптической мощности в оптоволокне можно рассчитать из закона Бугера:, где

W₀ — сигнал на входе, — коэффициент затухания, L — длина волокна.

Коэффициент затухания измеряется в децибелах на километр и изменяется от 300дБ/км для пластикового волокна до примерно 0.21дБ/км для одномодового волокна. Коэффициент затухания б прямо пропорционален коэффициенту поглощения направляющей среды Важнейшей особенностью затухания в оптическом волокне является его независимость от частоты модуляций внутри полосы пропускания. В медных кабелях затухание увеличивается с частотой сигнала: чем больше частота, тем больше затухание. В результате частота сигнала ограничивает расстояние, на которое может быть послан сигнал. Для увеличения этого расстояния требуется повторитель, осуществляющий регенерацию сигнала. В оптическом волокне оба эти сигнала будут иметь одинаковое затухание.

Причины потерь мощности:

1) Поглощение Потери вследствие фундаментального поглощения излучения в стекле обусловлены тремя механизмами: собственным поглощением материала, поглощением на примесях (несобственным поглощением) и потерями на дефектах атомной решетки. Мощное собственное поглощение вызывается электронными переходами в ультрафиолетовой (УФ) области спектра и переходами между колебательными уровнями в инфракрасной (ИК) области спектра системы энергетических уровней молекулы кварца (SiO₂). Так значительное поглощение из-за перестройки электронных орбит в SiO₂ происходит в УФ-области спектра на длине волны около 0.14 мкм. Наиболее интенсивное поглощение вследствие переходов между колебательными уровнями молекулы кварца происходит на длине волны 9.2 мкм, при этом высшие гармоники такого «осциллятора» (обертоны) расположены вблизи длин волн 3.2, 2.8 и 4.4 мкм.

Под примесным поглощением в материале оптоволокна понимается поглощение света остаточными примесями в кварцевом стекле. У кварцевого стекла это проявляется в наличии полос в частотном спектре поглощения в области длин волн 725, 875, 950, 1125, 1225 и 1370 нм, соответствующих гармоникам фундаментальной частоты колебаний межатомной связи в гидроксильных ионах ОНи частоте колебаний связи Si-O. Концентрация ионов OHодин на миллиард дает потери 1 дБ/км при длине волны 950 нм и около 3 дБ/км при 1225 нм. Путь решения этой проблемы очевиден — дегидратация материала, уменьшающая число гидроксильных ионов OH-. Другие виды поглощения вызваны остаточными примесями переходных металлов, например ионами Fe³⁺ и Cr²⁺. Поглощение света в кварцевом стекле вызывается и легирующими примесями, добавляемыми в стекло для изменения показателя преломления.

Таблица 4. Примесное поглощение в оптоволокне

Абсолютный минимум оптических потерь в одномодовом кварцевом световоде составляет примерно 0.125 дБ/км на длине волны 1.55 мкм. Минимальное затухание на длине волны 0.85 мкм около 2.5 дБ/км, на длине волны 1.3 мкм — около 0.35 дБ/км.

Окно прозрачности — диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в среде, в частности — в оптическом волокне. Стандартное ступенчатое кварцевое оптическое волокно имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности, а также оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне.

Рис. 12. Кривая поглощения кварцевого оптоволокна (серым цветом выделены окна прозрачности).

Затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина — 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм, поэтому третье окно прозрачности используется для организации связи на большие расстояния. Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше, однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия, поэтому второе окно используется на городских и зоновых сетях небольшой протяжённости. Первое окно прозрачности используется в офисных оптических сетях; использование этого окна прозрачности незначительно.

Пластиковые оптические волокна предназначены в основном для работы в видимой области спектра. За пределами видимой области в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной зонах светопропускание используемых полимеров падает, и эффективность их применения снижается. В спектрах поглощения тем больше полос и меньше окон прозрачности, чем сложнее химическое строение полимера (наличие в его макромолекуле ароматических колец, гетероатомов, кратных связей и пр.).

Макромолекулы с одной и той же химической структурой, но различной конфигурацией или конформацией имеют разные колебания, а следовательно, и различия в спектрах поглощения. Полимерные цепи могут содержать также примесные группы разного происхождения. Эти группы в молекулах полимера могут появиться в процессе полимеризации или образоваться в результате деструктивных и окислительных процессов при его переработке Кроме того, полимеры могут содержать остатки инициаторов, растворителей, катализаторов, а также специальные добавки. Добавки вводят для сохранения свойств полимеров при их переработке и эксплуатации (стабилизаторы) или для модификации свойств полимерного материала (пластификаторы, наполнители, красители, антистатики и пр.). Все соединения, которые образуются или вводятся в полимеры, в той или иной мере влияют на их оптические свойства.

Рис. 13. Кривая поглощения оптоволокна на основе полиметилметакрилата

2) Рассеяние Рассеяние определяет часть оптической энергии, которая переизлучается в направлении, отличном от первоначального.

Выделяют:

— рассеяние Релея (рассеяние на микрочастицах с размерами d<< л),

— рассеяние Ми (рассеяние на микрочастицах и неоднородностях масштаба d >>л) Релеевское рассеяние обусловлено вариациями состава и плотности волокна, неизбежными в процессе его производства. Наличие этого типа затухания связано, прежде всего, с дефектами сердцевины оптического волокна, а также с наличием посторонних вкраплений и примесей в оптическом волокне. Подобные посторонние включения значительно влияют на возможность прохождения светового потока по правильной траектории, приводят к его отклонению и, как следствие, превышению угла преломления и выходу части светового луча через оболочку. Кроме того, наличие неоднородностей волокна приводит к отражению части светового потока в обратную сторону — обратное рассеивание. Характерными особенностями релеевского рассеяния света являются примерно равное рассеяние в прямом и обратном направлениях, линейная поляризация рассеянного в сторону излучения и сильная, пропорциональная 1/л⁴, зависимость мощности рассеянного излучения от длины волны. Вклад релеевского рассеяния в потери оптической мощности в ВС наиболее значителен в коротковолновой, менее 0.8 мкм области спектра.

Рассеяние на крупных неоднородностях (Ми) отличается вытянутой в направлении распространения падающего света угловой диаграммой и относительно слабой спектральной зависимостью мощности рассеяния.

Рассеяние определяет минимальный теоретический предел затухания, равный

— 2.5 дБ при 820 нм

— 0.24 дБ при 1300 нм

— 0.012 дБ при 1550 нм

3) Потери при изгибах Изгиб волокна приводит к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевина-оболочка световода, в результате чего часть излучения переходит из сердцевины в оболочку и потери направляемых мод возрастают. Кроме того, при радиусе изгиба волокна менее некоторого критического, резко увеличиваются радиационные потери излучения.

Рис. 14. Микроизгибы Потери, вызванные микрои макроизгибами волокна, неизбежны всякий раз, когда волокно имеет отклонения от правильной геометрической формы или не размещено вдоль прямой линии. Микроизгибы носят случайный характер и являются вариациями профиля границы ядра и оптической оболочки, то есть фактически проявлением технологического дефекта. Макроизгибы являются следствием неправильной прокладки оптоволоконного кабеля. Кроме увеличения затухания, при этом снижается предел прочности кабеля на разрыв (максимально допустимая нагрузка на растяжение или изгиб, не приводящая к повреждению световода).

Рис. 15. Макроизгибные потери

4) Ионизирующее излучение Радиационная стойкость — это способность оптоволокна противостоять действию ионизирующего излучения (гамма-излучение, потоки нейтронов и т. д.). Под воздействием радиации происходит ионизация молекул SiO₂, миграция электронов, миграция легирующих примесей и образование гидроксильных ионов OHиз свободного водорода.

Из-за разрыва связей в молекуле SiO₂ в волокне появляются свободные связи, которые служат ловушками зарядов. В результате оптоволокно «темнеет», происходит усиление затухания в нём.

Величина потерь зависит от типа излучения, дозы облучения и времени экспозиции. Продолжительное экспонирование волокна при низкой интенсивности облучения приводит к более сильному «потемнению», чем та же доза, полученная за более короткое время. После прекращения воздействия облучения наступает постепенное восстановление пропускной способности волокна. Например, при действии радиоактивного излучения 3700 рад в течение 3 нс (условия ядерного взрыва) затухание может достигать 1000 дБ/км, и уже через 10 с величина потерь становится меньше 5 дБ/км.

В общем случае существенными факторами, влияющими на радиационную стойкость оптоволокна, являются тип легирующей добавки в материале ядра, диаметр ядра и тип оптической оболочки.

5) Технологические разбросы определяющих параметров световода

Эллиптичность сердцевины, статистические флуктуации ее диаметра по длине световода, нарушения выбранного закона распределения показателя преломления по сечению сердцевины и другие факторы приводят к рассеянию энергии и перекачке части энергии распространяющегося излучения в вытекающие моды.

6) Появление и рост микротрещин.

При вытягивании волокон на их поверхности образуются микротрещины, которые с течением времени могут увеличиваться и вызывать появление дополнительных потерь (а в конечном счете и полное разрушение волокна). Процесс существенно ускоряется при наличии механических напряжений и химических действий тех или иных реагентов, главным образом влаги и кислорода, устранить влияние которых практически невозможно.

7) Влияние температуры:

Температурные колебания оказывают влияние на абсолютные значения коэффициентов преломления ядра и оптической оболочки, а следовательно, и на их разность, что может приводить к нарушению условий существования одной моды и появлению дополнительных мод. При этом перераспределение энергии между модами приведет к потере мощности основного сигнала.