Затухание оптического волокна

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ
КАБЕЛЕЙ И ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Параметры оптических кабелей
параметры конструктивные;
параметры, определяющие передаточные
и оптические характеристики кабеля;
параметры, характеризуйте область
применения, т.е. допустимые условия монтажа
и эксплуатации с точки зрения механических,
климатических и других воздействий.
Затухание оптического волокна
определяет длину регенерационных участков
(расстояние между регенераторами)
в материале волокна (м)
волноводными потерями (в), связанными с
отклонениями реальной структуры световода от
идеальной
Потери в материале связаны с поглощением,
(П) и рассеянием (р) передаваемого света
веществом оптического волокна
Причинами волноводных потерь являются
факторы, обусловленные процессами
изготовления, как самого волокна, так и кабеля в
целом
Причинами потерь за счет поглощения света, в
общем случае, является уменьшение энергии
или интенсивности световой волны при её
распространении в веществе вследствие
перехода энергия электромагнитного поля волны
в другие формы
В чистом стекле возможны два основных
механизма поглощения световой энергии
1. из-за взаимодействия фотонов с
колебательными уровнями молекул возникают
полосы поглощения в инфракрасной области
спектра, причём «фундаментальные» полосы
такого поглощения лежат, как правило, выше 6
мкм.
2. из-за существования резкого порога
поглощения, когда энергия фотонов становится
достаточной для того, чтобы вызвать переход
электронов на высокие уровни
Рассеянием света, в общем случае, называется
отклонение световых лучей во все стороны от
первоначального направления. Рассеяние света
возникает в тех случаях, когда среда, в которой
распространяется свет, является оптически
неоднородной
Потери на рассеяние
вызываются температурными колебаниями и
флуктуациями структуры стекла (Рэлеевское
рассеяние), наличием небольших пузырьков и
включений, сравнимых по размерам с длиной
волны  (рассеяние Ми), нелинейными эффектами
спонтанного и стимулированного излучения
(Рамановское и Бриллюновское рассеяния)
Рассеяние Рэлея – это потери в материале,
вызванные рассеянием света из-за флуктуации
плотности материала световода
 R  CR f 4  CR 
4
Для кварцевого стекла СR0,6 [мкм4 дБ/км]
Рассеяние Ми имеет место на неоднородностях,
сравнимых по порядку величины с длиной волны.
2r

Нелинейное рассеяние
Рамана
Бриллюэна
могут наблюдаться при относительно низких
абсолютных уровнях мощности, порядка 1 Вт.
Однако в системах передачи информация
мощность на входе обычно не превышает 10
мВт и потери от нелинейных явлений можно не
учитывать
при очень высоких интенсивностях в тонких
сердцевинах оптического волокна
стимулированные рассеяния могут привести к
сильному затуханию
, дБ/км
10
5
1,0
0,5
0,7
1,0
1,3
1,6
, мкм
Спектральная зависимость коэффициента затухания
кварцевого одномодового световода
Минимально достижимые значения
коэффициента затухания, определяемые потерями
на рассеяние, составляют: для
=0,85мкм 1,35дБ/км;
=1,3мкм 0,25дБ/км;
=1,55мкм 0,12дБ/км.
Средние значения коэффициента затухания:
=0,85мкм 2дБ/км;
=1,3 – 1,55мкм 0,5 – 0,2дБ/км.
Наиболее важными, c точки зрения
поглощения, являются ионы металлов
Си, Ti, V, Cr, Mn , Fe, Со, Ni
и гидроксильная группа ОН–
они имеют электронные переходы с
энергиями, достаточно низкими для
возбуждения фотонами в видимом свете или
инфракрасной области
Потери на геометрических неоднородностях
оптического волокна – это дополнительные
потери из-за наличия макронеоднородностей
и включений, которые создаются при
изготовлении волокна, даже, если материал
однороден, a также из-за геометрических
неоднородностей поверхности раздела
сердцевина-оболочка
В одномодовом волокне эти геометрические
возмущения приводят к связи направляемых мод
и мод излучения, и происходит потеря энергии
В многомодовом волокне геометрические
неоднородности в первую очередь связывают
между собой различные моды сердцевины. При
этом энергия не теряется, а перераспределяется
между направленными модами. Поэтому на
полное затухание этот эффект оказывает
незначительное влияние, но может влиять на
искажение сигналов
Потери на изгибах оптического волокна
обусловлены
преобразованием
на
них
направляемых мод в моды излучения
макроизгибы
2а
микроизгибы
2b
h
Rиз
hmax
2b
 0,5  1,0
Дисперсия и полоса пропускания волоконного
световода
пропускная способность F - определяет
полосу частот, пропускаемую световодом, и
соответственно объём информации, который
можно передавать по кабелю
дисперсия – это рассеяние во времени
спектральных или модо-вых составляющих
оптического сигнала. Дисперсия приводит к
увеличению длительности импульса при
прохождении по кабелю ().
1
F 

 
2
мод
  
2
х
2
мод
  м   в 
C
Vгр     
n

Vф 

d
1
Vгр 

d  d

 d 
В недисперсионной среде групповая и фазовая
скорости одинаковы

1

Vгр 
 Vф
 d

Vф
 d 
В дисперсионной среде
Vгр 
1
 d

 d 

Vф
   dVф

1 


V
d

ф 


В многомодовых оптических волокнах (MOB)
мод>>х и поэтому дисперсия характеризуется
модовой составляющей
В одномодовых оптических волокнах (ООВ)
мод=0 и поэтому дисперсия ООВ
 ООВ   х   м   в
Уширение импульса из-за модовой дисперсии
для ступенчатого световода
 м од

n
l
 1
C0
для градиентного световода
 м од

n
l
1

2
2C 0
В ООВ для оценки уширения импульса
 2n 
в 
 C0
2
1
  ld n
м 

 2
 C 0 d
2
2


2
16
-16
1
1
0
0
2
16
1,7 
1,3
1,7 
1,3
3
-16
3
б
а

2
16
1
0
-16
1,7 
1,3
3
в
Зависимость дисперсии от  (мкм) для ООВ без сохранения
поляризации: а – обычные; б – со смещенной дисперсией; в – со
смещенной выровненной дисперсией; 1 – суммарная; 2 –
материальная; 3 – волновая дисперсия


F

AF   exp   ln 2

F
пр 

Fпр 
0,44
 0,5
Fпр 
2
0,88

Взаимодействие мод и влияние его на
характеристики передачи световода
n1
 n
l

l
,
l

l
у
C
C0
 0
 м од  

n
n
1


ll у 
ll у , l  l у
 C0
C0
Конструкции и материалы оптических волокон
Многомодовые оптические волокна
n1
n1
n2
a
n2
б
n1
2а
в
n2
n1
n3 n2
2a
г
д
Профиль показателя преломления оптических волокон: а –
ступенчатое; б – градиентное; в градиентное с осевым
провалом; г – ООВ W типа; д – ООВ с треугольной
сердцевиной и четырехслойной оболочкой
Одномодовые оптическое волокно
Дисперсия обусловлена тремя причинами
-зависимостью групповой скорости моды от
частоты (волновая дисперсия);
-изменением показателя преломления
материала с изменением частоты (дисперсия
материала)
-разбросом групповых скоростей отдельных
мод в многомодовом режиме работы
(межмодовая дисперсия)


6
4
2
2
4
3
1
1
0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6 , мкм
Зависимость дисперсии и коэффициента затухания от
 для ООВ без сохранения поляризации: 1 – обычного;
2 – со смещенной дисперсией; 3 – с выровненной
смещенной дисперсией; 4 – коэффициент затухания
Материалы и виды оптических волокон
применяют стёкла и полимерные материалы
стёкла
- по виду окисла – стеклообразователя –
силикатные,
боратные,
фосфатные,
германатные, алюминатные, борсиликатные,
алюмоборсиликатные и т.д.;
- по содержанию щелочных окислов безщелочные, малощелочные, многощелочные.
полимерные материалы
требования к полимерным материалам,
применяемым для изготовления волокон,
являются:
высокая прозрачность в видимом спектре частот,
оптимальная механическая прочность и
твёрдость.
Для изготовления оптических волокон применяют
стеклообразные органические
высокомолекулярные полимеры:
полиметилметакрилат и сополимеры, полистирол,
поликарбонат, фторполимеры
Оптические характеристики градиентных многомодовых п
одномодовых (без сохранения поляризации) волокон
Характеристика
Длина волны, мкм
Коэффициент
затухания, дБ/км
Коэффициент
широкополосности,
МГцкм
Дисперсия
Длина волны отсечки,
мкм
Многомодовые
(dс=50 мкм)
Одномодовые
0,85
1,3
1,55
0,35 –
0,06
0,22 –
0,35
1,3
2,4 – 5,0 0,6 – 1,5
200 –
1000
200 –
1500
-
-
-
-
3 – 12
2,5 – 3,5
-
1,1 –
1,28
1,28
-
Геометрические характеристики многомодовых и одномодовых (без
сохранения поляризации) волокон
Одномодовые
Характеристика
Многомодовые
=1,33
=1,55
мкм
мкм
Диаметр сердцевины, мкм
50
62,5
85
100
200
-
-
Диаметр модового пятна,
мкм
-
-
-
-
-
9-11
7,0-8,3
125
125
125
140
280
125
125
Относительная
несоосность оптической
оболочки, %
6
6
6
6
6
2
2
Некруглость сердцевины,
%
6
6
6
6
6
6
-
Некруглость оптической
оболочки, %
2
-
-
-
-
-
-
0,23
0,29
0,3
0,09-0,11
-
Диаметр оптической
оболочки, мкм
Числовая апертура
0,26 0,29
Геометрические размеры волокна с кварцевой сердцевиной и
полимерной оптической оболочкой
Характеристика
Диаметр
сердцевины,
мкм
Величина
1255
20010
30012
40015
60024
100040
Диаметр по
оптической
оболочке, мкм
300
36040
440
60050
82010
1250
Несоосность
сердцевины и
оптической
оболочки, мкм
-
2
-
30
30
-
Диаметр ВЗП,
мм
0,420,0
3
0,60,1
0,650,0
5
0,90,15
1,20,01
1,550,1
Несоосность
сердцевины и
ВЗП, мкм
-
60
-
90
100
-
Полимерные оптические световоды могут иметь
следующие характеристики: 2b от 250 до 1000
мкм; NA=0,5 на длине волны 0,65 мкм; профиль –
ступенчатый; коэффициент затухания для волокна
с сердцевиной из полистирола и оптической
оболочкой из полиметилметакрилата 55 дБ/км на
=0,57 мкм и 114 дБ/км на =0,67 мкм.
Для волокна с сердцевиной из
полиметилметакрилата возможно снижение
потерь до 9,1 дБ/км =0,68 мкм. Коэффициент
затухания постоянен в диапазоне температур от -40
до +130°С.
Материалы и виды защитных покрытий
оптических волокон
Покрытие должно обеспечивать сохранность
собственной прочности волокна путем защиты
его поверхности от влаги, химических и
механических повреждений, фильтрацию
оболочечных мод и предотвратить
возникновение дополнительных потерь на
передачу, обусловленных микроизгибами