Презентация 7

Лекция 7
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
Вопросы:
1. Распространение света в оптоволокне.
Виды волоконных световодов.
2. Оптические потери в оптоволокне.
3. Дисперсионные свойства волоконных
световодов.
Устройство простейшего оптического волокна
Световые пучки должны падать под углами, обеспечивающими
полное внутреннее отражение от раздела «серцевина-оболочка».
Характеристики оптического волокна
Передача света в оптоволокне – за счет
эффекта полного внутреннего
отражения
nсерд > nобол.
В стеклянном волокне n меняется с
помощью легирования:
• B2O3, F – уменьшают n;
Материал
• GeO2, P2O5 – увеличивают n.
По материалу оптоволокно
Стекло
делится на:
– стеклянные волокна;
Пластик
– стеклянные волокна с пластиковой
оптической оболочкой (PCS);
– пластиковые волокна.
Стандартные диаметры сердцевины и
оболочки (мкм):
– обозначения: 8/125, 62.5/125…
(диаметр человеческого волоса 100).
Длина
волны в
вакууме
850
1300
1550
650
Показатель
преломления
1,4525
1,4469
1,4440
1,4…1,5
Ядро
Оболочка
8
125
50
125
62,5
125
100
140
2 слоя: сердцевина
и оболочка
+ защитная оболочка.
Строение подводного
оптоволоконного кабеля:
1. Полиэтилен.
2. Лавсановая плѐнка.
3. Витые стальные провода.
4. Алюминиевый "водный
барьер".
5. Поликарбонат.
6. Медная или алюминиевая
трубка.
7. Углеводородный гель.
8. Оптоволокно.
Профили показателя преломления
2
r
п1 (r ) n0 exp(
),
2n0
r
a
2п0
n0
ln
2
а
n2
Ступенчатый
Градиентный
Распространение световых лучей
в ступенчатом и градиентном волоконных световодах
Оптические моды в волоконном световоде
Оптическая мода представляет собой вид (конфигурацию)
световой волны, характеризуемый определенным пространственным распределением светового поля по сечению оптоволоконной системы, имеющий определенную собственную частоту
(длину волны) и распространяющийся со своей скоростью.
Число мод определяется из решения волнового уравнения для
цилиндрического световода при соответствующих граничных
условиях.
Направляемые
(волноводные) моды
Основные параметры волокон
n1
n2
n1
(относит. разность п1 и п2,
типичное значение
V
2
2
1
a(n
2
2
n )
− модовый параметр.
При V < 2,405 волокно одномодовое (для ступенч. профиля).
Типы оптоволокна
1. Одномодовое:
– диаметр сердцевины 2…10 мкм.
2. Многомодовое:
1) Ступенчатое −
d сердцевины
100 … 970 мкм.
1) ступенчатое (SF);
2) Градиентное −
d сердцевины 50, 62.5, 85 мкм.
2) со смещенной
дисперсией (DSF).
Иногда - более
сложная структура
профиля.
Оптические потери
Оптические потери волоконного световода − важный фактор, ограничивающий передачу цифрового сигнала на большие расстояния.
Рout
Pin exp(
дБ
L)
Оптические потери в
кварцевом волокне
10
Pвых
log(
)
L
Pвх
дБ
Рэлеевские потери:
R
C/
4
С = 0,7 – 0,9 (дБ/км)·мкм4
Минимальные потери:
≈ 0,2 дБ/км
дБ
(1,55 мкм)
Дисперсия оптических волокон
Дисперсия определяет степень и
характер рассеивания (деформации) передаваемых оптических
сигналов во времени.
Дисперсия одномодового волокна
Хроматическая (обусловлена
тем, что различные спектральные
компоненты оптического импульса распространяются с разными
скоростями)
Материальная (обусловлена
зависимостью показателя
преломления волокна
от длины волны)
Поляризационная модовая
(обусловлена анизотропией
оптических мод
в оптоволокне)
Волноводная (обусловлена
технологическими отклонениями от идеального профиля
волокна
(линейный эффект)
Чем короче импульсы и чем выше битовая скорость, тем менее устойчива оптическая линия к хроматической дисперсии.
(нелинейный эффект)
Зависимость эффекта PMD от скорости передачи
информации и длительности сигналов
Дисперсионные коэффициенты
dk
d
1
0
2
d k
2
с
,
м
гр
3 d 2n
1
2
d
2
2
2 c d
,
2
с
м
0
Дисперсионный параметр
D
d
d
Если D
1
2 c
2
2
пс
(изм. в
)
км нм
< 0, то β2 > 0; если D > 0, то β2 < 0.
Зависимость дисперсионного параметра D
одномодового волокна от длины волны
Волокно со смещенной областью
нулевой дисперсии к 1,55 мкм
Преимущества и недостатки ВОЛС
• Преимущества оптоволокна:
– высокая частота передачи сигнала
широкая полоса пропускания
высокая скорость передачи информации (теоретически – до 1 Тбит/с);
– увеличение скорости в 2 раза: передача сигнала одновременно в двух
направлениях, использование волн двух перпендикулярных поляризаций;
– частотное уплотнение по оптоволоконным линиям связи (DWDM) передача разных сигналов на разных длинах волн;
– низкие потери (0,2-0,3 дБ/км при =1,55). Потери не зависят от частоты
передачи сигнала;
– нечувствительность к электромагнитным помехам
отсутствие искажений;
– относительно малый вес;
– пожаро- и взрывобезопасность.
• Недостатки ВОЛС:
– сложность изготовления;
– снижение эффективности (деградация) с течением времени;
– дороговизна оборудования, монтажа и обслуживания.