1 Оптоволокно

2 Средой передачи информации в оптических системах связи является оптическое волокно (ОВ). Первое оптическое волокно с потерями 20 дБ/км (на длине волны 0,633 мкм) было изготовлено фирмой Corning Glass Works в 1970 г. В 1972 г. потери в ОВ были снижены до 4 дБ/км, современные волокна имеют потери менее 0,2 дБ/км (на длине волны 1,55 мкм).

3 Изначально волокно было исключительно хрупким. Для его функционирования в качестве надежного высококачественного компонента системы, волокно не должно иметь изъянов и быть защищенным от механического воздействия. Современное волокно может быть завязано в узел диаметром 5 мм и при этом не разрушится.

4 Большое распространение волоконные оптические системы получили благодаря ряду достоинств, которые отсутствуют при передаче сигналов по медным кабелям (коаксиальные, витая пара) или по радио в качестве среды передачи: широкая полоса пропускания малое затухание сигналов отсутствие электромагнитных помех дальность передачи на десятки километров срок службы более 25 лет обеспечение гальванической развязки (передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними)

5

6 Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется

7 Угол отраженного луча равен углу падающего, а угол преломленного луча зависит от со- отношения показателей преломления сред.

8

9 Поставим условие, чтобы преломленный луч не проникал во вторую среду, а двигался вдоль границы раздела. Так как при этом γ=90°, то нетрудно вычислить так называемый критический угол

10 Рассмотрим прохождение излучения по плоскому световоду Оптический луч, проходя по световоду, испытывает полные многократные отражения от границы раздела «сердцевина – оболочка». Однако если угол падения Q становится больше критического значения, полного отражения не происходит и излучение проникает в оболочку

11 Распространение света, падающего на световод, по оптоволокну 1 – угол приема лучей 2Qmax., 2 – свет, который не передается по световоду (Q>Qc), 3 – оболочка с n2, 4 – сердцевина с n1, 5 – распространяющееся излучение, 6 – фазовый сдвиг при отражении

12 Максимальный (критический) угол, при котором происходит полное отражение, определяется формулой Параметр Δ называется удельной разностью показателей преломления и определяется через показатели преломления сердцевины и оболочки

13 Луч света, который распространяется в световоде, отражаясь от границы раздела под максимальным углом Qc, при вводе в световод, согласно законам преломления, падает на его торец под еще большим углом Qmax >Qc Этот угол является максимальным углом, при котором возможно завести и вывести излучение из световода

14 Числовая апертура световода

15 Числовая апертура - синус максимального угла падения луча света для оптических приборов, или же синус максимального входного угла волновода или оптоволокна

16 Оптические волокна в зависимости от способа распространения в них излучения делятся на: одномодовые, в которых световодная жила имеет диаметр 8 мкм и может распространяться только один луч (одна мода); многомодовые, в которых световодная жила имеет диаметр 50 или 62,5 мкм, почти на два порядка больше, чем длина световой волны, что означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам)

17

18

19 когда излучение лазера поступает в сердцевину волокна, то сигнал передается по ней в виде отдельных мод (лучей света с разными спектральными составляющими вводимого сигнала)

20 Причем входят «лучи» под разными углами, поэтому время распространения энергии отдельно взятых мод различается. Здесь отображены 3 профиля преломления: ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.

21 Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени..

22 Другое дело с градиентным профилем, те моды которые раньше шли по центру замедляются, а моды, которые шли по ломанному пути, наоборот, ускоряются. Это произошло оттого, что коэффициент преломления сердечника теперь непостоянен. Он увеличивается параболический от краев к центру.

23 Важными параметрами оптического волокна являются затухание и дисперсия

24 Затухание определяет величину ослабления оптической мощности лазерного луча в децибелах на км (дБ/км) при прохождении по оптоволокну Характерное для волокна длиной L пропускание T может быть описано как: где P 0 – входная мощность, P – выходная мощность, α – коэффициент затухания

25 В волоконной технике применяют шкалу в децибелах. Поэтому потери находят по следующей формуле Тогда затухание D в волокне будет выглядеть так

26 Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:

27 Минимальные значения потерь, реализованные сегодня, составляют 0,1-0,2 дБ/км. То есть на стокилометровом участке оптоволоконного кабеля исходное излучение ослабнет в 100 раз Передача сигналов по оптическому волокну осуществляется в трех диапазонах: 0,85 мкм, 1,3 мкм и 1,55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность

28

29

30 Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Поскольку при передаче информации светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов

31 Существует три типа дисперсии: - дисперсия мод – характерна для многомодового волокна и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. - дисперсия материала – обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. - волноводная дисперсия – обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

32

33 При оценке дисперсии пользуются термином полоса пропускания - величина, обратная величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Полоса пропускания в 400 МГц км означает возможность передачи сигнала в полосе 400 МГц на расстояние 1 км.

34

35 Из определения полосы пропускания следует, что дисперсия налагает ограничения на дальность передачи и верхнее значение частоты передаваемых сигналов. Если полоса пропускания оптического волокна составляет 1000 МГц км (что соответствует величине уширения импульса в 1 нс/км), то пропускная способность линии связи длиной в 1 км будет не более 1 Гбит/с, а при длине линии связи в 10 км - не более 100 Мбит/с.

36 Из определения полосы пропускания следует, что дисперсия налагает ограничения на дальность передачи и верхнее значение частоты передаваемых сигналов. Если полоса пропускания оптического волокна составляет 1000 МГц км (что соответствует величине уширения импульса в 1 нс/км), то пропускная способность линии связи длиной в 1 км будет не более 1 Гбит/с, а при длине линии связи в 10 км - не более 100 Мбит/с.

37 Достоинства одномодовых волокон: лучшие характеристики по затуханию и полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч; максимальное затухание составляет 0,5 дБ/км при длине волны 1,31 мкм и 1,55 мкм; при использовании лазерных передатчиков расстояние между узлами может составлять до 40 км.

38 Недостатки одномодовых волокон: одномодовые источники излучения дороже многомодовых; в одномодовое волокно труднее ввести световой луч из-за малого диаметра световодной жилы; по этой же причине трудно минимизировать потери сигнала при сращивании одномодовых волокон; дороже монтаж оптических разъемов на концах одномодовых кабелей.

39 Достоинства многомодовых волокон: более удобны при монтаже, так как в них больше размер световодной жилы; проще снабдить оптическими разъёмами с малыми потерями (до 0,3 дБ).

40 Недостатки многомодовых волокон: большое затухание, составляющее при длине волны 0,85 мкм дБ/км; обеспечивает передачу данных без применения промежуточных повторителей на расстояние не более 2-х км; недостаточная полоса пропускания многомодовых волокон для магистральных линий связи, которая составляет порядка 1000 МГц*км

41

42

43