Тема 3.2. Электрические характеристики волоконно-оптических линий связи.

 

Вопросы.

1. Затухание сигналов.

2. Дисперсия оптического сигнала.

3. Пропускная способность световодов.

 

Литература.

[1] с. 61-84, 126-127. [6] с. 18-46. [7] с. 105-111. [8] с. 26-36.

 

 

Затухание сигналов.

 

Оптическое волокно характеризуется основными параметрами передачи: затуханием, дисперсией и пропускной способностью. Эти параметры определяют возможности практического использования ОК и прежде всего максимальное расстояние, на которое можно передавать сигналы без промежуточных регенераторов или усилителей.

Затухание сигналов.

Затухание сигналов в ОК обусловлено собственными потерями мощности в изолированных прямолинейных ОВ и дополнительными (кабельными) потерями, возникающими в результате сборки ОВ в кабель. Таким образом, коэффициент затухания ОВ в кабеле

α = α_с + α_доп, дБ/км.

Собственные потери мощности определяются в основном двумя факторами: поглощением энергии в материале ОВ и рассеянием энергии в окружающем пространстве. Потери на поглощение состоят из потерь в самом материале (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение) и потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси поглощают свет на определенных, присущих каждой примеси, длинах волн. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь. Наиболее заметное поглощение соответствует примесям ОН(ионы гидроксильных групп). Соответствующий водный пик в районе А = 1,39 мкм присутствует у всех современных ОВ, изготовленных по промышленной технологии. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.

Рис. 3.10. Кривые потерь

Собственные потери на поглощение быстро растут в инфракрасной области. При λ > 1,8 мкм обычное кварцевое ОВ становится непрозрачным.

Потери на рассеяние вызываются микроскопическими неоднородностями, которые неизбежно появляются во время изготовления ОВ. Свет, падая на такие неоднородности, отражается во всех направлениях. Эти потери называются рэлеевским рассеянием и зависят от длины волны по закону А~4.

На рис. 3.10 приведена типичная для кварцевых одномодовых ОВ экспериментальная спектральная зависимость собственных потерь (кривая 1, пики кривой вызваны поглощением на примесях). Там же показаны теоретические зависимости потерь, обусловленных рэлеевским рассеянием (кривая 2) и инфракрасным поглощением (кривая 3), которые определяют нижний предел собственных потерь.

Как видно из рисунка, в длинноволновой области спектра 1,3......1,6 мкм два минимума потерь (окна прозрачности). По сравнению с длиной волны А = 0,85 мкм, которая первой начала использоваться в ВОСП, собственные потери при А = 1,3 мкм уменьшаются примерно в 3 раза, а при А = 1,55 мкм в 8-10 раз.

До последнего времени под окнами прозрачности обычно понимались узкие области спектральной кривой собственных потерь_в_окрестностях минимумов λ = 0,85 мкм (1-е окно), λ = 1,3 мкм и λ = 1.55 мкм (3-е окно). Однако создание ОВ, в которых отсутствует водный пик, вызвало необходимость пересмотреть вопрос определения окон прозрачности. Сейчас 2-е окно - это область λ =,280...1,325 мкм, 3-е окно - А = 1,529...1,565 мкм, 4-е окно - λ = 1,565...562 мкм и 5-е окно - λ = 1,325...1,450 мкм. В характеристиках ин обычно указывается рабочий диапазон (окно прозрачности), для которого оно предназначено.

Дополнительные (кабельные) потери мощности возникают в ререзультате наложения на ОВ защитного полимерного покрытия и деформации ОВ при сборке ОК.

Защитное покрытие, как указывалось выше, предназначено для повышения механической надежности ОВ и уменьшения взаимных (перекрестных) помех между ними при плотной укладке в ОК. Чем больше толщина оболочки ОВ, тем меньше поле направляемых мод на ее внешней границе с покрытием и, следовательно, меньше дополнительные потери в защитном покрытии. С другой стороны увеличение толщины оболочки приводит к ухудшению гибкости ОВ и увеличению его стоимости.           Поэтому обычно у многомодовых ОВ диаметр оболочки выбирается в 2,0...2,5 раза больше диаметра сердцевины. При этом потери в защитном покрытии не превышают 0,1 дБ/км. У одномодовых ОВ соотношение между указанными параметрами иное. Поскольку поле основной моды проникает в оболочку на значительную глубину, для обеспечения малой величины потерь в покрытии толщина оболочки должна в 10 и более раз превышать радиус сердцевины.

В современных ОК наиболее широко используют следующие типы ОВ: многомодовые ОВ: 50/125 мкм, 62,5/125 мкм; одномодовые ОВ: 8...10/125 мкм (числа определяют диаметр сердцевины и оболочки).

Деформация ОВ при изготовлении кабеля (микроизгибы, скрутка, сжатие) является другой причиной появления дополнительных потерь. При соответствующем выборе кабельных материалов, конструкции и технологии изготовления ОК эти потери в многомодовых и одномодовых ОВ составляют не больше 20 % от полных потерь.

Дополнительные потери мощности практически постоянны в диапазоне длин волн 0,8...1,7 мкм. Поэтому спектральная зависимость коэффициентов затухания (2.1) имеет тот же характер, что и кривая 1 на рис. 3.10.

При строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий возможно появление так называемых эксплуатационных потерь. Прежде всего эти потери связаны с макроизгибами ОВ (радиус изгиба >> 1 мм), которые неизбежно возникают при прокладке ОК. Другая причина - постепенное увеличение собственных потерь ОВ.

Потери на макроизгибах обусловлены преобразованием направляемых мод в моды излучения. Они резко возрастают и становятся недопустимо большими, как только радиус изгиба уменьшается до критического значения, которое для типичных ОВ составляет несколько сантиметров. Поэтому при проектировании ОК необходимо предусматривать конструктивные элементы, ограничивающие до необходимых пределов радиус изгиба.

Основной причиной постепенного увеличения собственных потерь ОВ является влага, проникающая в ОК. Под ее действием происходит помутнение стекла и образование микротрещин. Для защиты от влаги применяют влагозащитные оболочки и гидрофобное заполнение.