Оптоволоконные системы в телекоммуникациях

Микроизгибом волокна называется изгиб оптического волокна, который влечет за собой смещение волокна порядка нескольких микрон относительно его оси, обусловленное различием боковых давлений на волокно по его длине Он может быть вызван механическими деформациями при изготовлении кабеля и его прокладки, а также изменениями геометрических размеров материалов кабеля вследствие изменений температуры окружающей среды в процессе эксплуатации. Для уменьшения потерь, обусловленных микроизгибом, необходимо не допускать усилий, случайно прикладываемых к волокну вдоль его оси при изготовлении кабеля, а также во время и после прокладки кабеля.

Макроизгиб волокна является результирующим искривлением оптического волокна после изготовления и прокладки кабеля. Макроизгиб может вызвать увеличение оптических потерь. Оптические потери увеличиваются с уменьшением радиуса изгиба. При правильной прокладке кабеля его затухание будет несколько меньше по сравнению со значением измеренным на барабане, за счет меньших макроизгибов.

В реальных ОВ из-за большого числа случайных причин, приводящих к резкому возрастанию потерь, основным методом определения затухания является его измерение. На заводах измеряют затухание всех ОВ на заданной длине волны и данные измерений заносят в паспорт.

Дисперсия импульсных световых сигналов

Влияние дисперсии сказывается в уширении светового импульса при его передачи по оптоволокну. Различают четыре типа дисперсии, каждый из которых вызван теми или иными причинами:

Межмодовая дисперсия.

Свет, распространяющийся по многомодовому волокну представлен многими траекториями лучей, путь каждой из которых в сердцевине волокна отличается друг от друга. Возвращаясь к прошлым лекциям, получим число мод, распространяющихся по волокну:

M=V2/2, (7)

где V-- нормализованная частота. Если V= 2,405 или меньше, то распространяется только одна мода, если же V больше, то распространяются много мод. Эффект уширения светового импульса при его распространении на какое-то расстояние, а также то негативное влияние, которое это оказывает на форму последовательности NRZ импульсов. Этот тип искажений можно устранить путем использования одномодового волокна, где V < 2,405.

Материальная дисперсия.

Материальная дисперсия (DМ) вызвана тем, что различные длины волн проходят через определенные материалы с различными скоростями. Известно соотношение, определяющее показатель преломления (n):

п = c/v, (8)

где с -- скорость света в вакууме, a v -- скорость исследуемой волны в данном материале. Конечно, интересующим нас материалом является кварцевое стекло (Si02). Проблема в том, что каждая волна распространяется в данном материале со скоростями, несколько отличающимися друг от друга.

Хроматическая дисперсия (во многих текстах материальная и хроматическая дисперсии на разделяются).

Хроматическая дисперсия является неким расширением понятия материальная дисперсия. Когда мы имеем дело с дисперсией, влияющей на xapaктеристики при высокой скорости передачи (например, > 1 Гбит/с), битовый период, а следовательно, битовый интервал, настолько мал, что даже при использовании DFB-лазера с его очень узкой спектральной линией, наблюдается эта форма материальной дисперсии.

Поляризационная модовая дисперсия (PMD).

В одномодовом волокне единственной присутствующей модой является Н11. Однако, если учитывать поляризацию, то в одномодовом волокне присутствуют две моды. Эти две моды предполагаются нами взаимно ортогональными, а поляризация -- линейной. Одна из этих мод является доминантной и распространяется в горизонтальной плоскости вдоль оси х, другая распространяется в вертикальной плоскости вдоль оси у. В некоторых публикациях говорят о быстрой оси и медленной оси распространения. Эта идеальная ситуация могла бы соответствовать идеальному волокну с точной геометрией.

Литература

Осн.3. [стр. 90-95]

Доп. 3. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Влияние затухания и полосы пропускания световода на форму импульсов.

2) Что такое микроизгиб?

3) Что такое макроизгиб?

Лекция 9. Потери и ослабление сигнала в оптическом волокне

Существуют четыре причины потерь в оптоволокне:

Собственные внутренние потери.

Собственное внутреннее поглощение материала является потерями, вызванными только чистым кремнием, тогда как внешние потери -- это потери, вызванные наличием примесей в оптоволокне. В каждом конкретном материале, благодаря его молекулярной структуре, существует поглощение сигнала определенных длин волн. В случае двуокиси кремния (Si02) существуют электронные резонансы в ультрафиолетовой области для длин волн л < 0,4 мкм. Существуют также колебательные резонансы в инфракрасной области, где л > 7 мкм. Расплавленная двуокись кремния (стекло), которая является материалом оптического волновода, по своей природе аморфна. Поэтому эти резонансы существуют в форме полос поглощения, хвосты которых простираются в область видимого спектра. Во втором и третьем окнах прозрачности этот тип поглощения вносит вклад на уровне не более чем 0,03 дБ/км. Производители оптоволокна не могут влиять на эту составляющую поглощения, разве что перейти на другой материал для передачи светового сигнала.

Потери, вызванные примесями (иногда называемые внешними потерями).

Внешние потери поглощения привнесены примесями оптоволокна. Современные технологии производства уменьшили вклад от этих потерь до очень низкого уровня. В эту группу потерь вносят вклад следующие примеси: железо, медь, никель, магний и хром, которые создают существенные источники поглощения в интересующих нас окнах прозрачности. В современном процессе производства содержимое этих металлов было снижено до величин меньше одной миллиардной части, и, следовательно, они вносят очень малый вклад в общие внешние потери поглощения. В отличие от них, потери за счет наличия остаточных гидроксильных ионов (ОН) создают линию поглощения 2730 нм, ее гармоники и комбинационные составляющие 1390, 1240 и 950 нм, все они вносят существенный вклад в общие внешние потери поглощения. Эти потери вызваны наличием воды в волокне, оставшейся в процессе производства. Уровень ионов ОН в оптоволокне должен быть снижен до величин меньших одной стомиллионной части, для того чтобы поддерживать потери волокна на надлежащем уровне. Даже такая малая концентрация ОН, как одна миллионная, способна вызвать потери 50 дБ в районе «водяного пика» -- 1390 нм.

Рассеяние Рэлея.

Этот тип потерь является внутренним и вызван флуктуациями мгновенной плотности и вариациями концентрации молекул за счет несовершенства внутренней структуры волокна: воздушных пузырьков, неоднородностей и трещин, или несовершенством направляющего волновода, вызванным обшей нерегулярностью системы сердцевина-оболочка. Существует точка на кривой поглощения в районе 1550 нм, где поглощение инфракрасных и ультрафиолетовых хвостов минимальны. Вокруг этой точки рэлеевское рассеяние является главной составляющей общих потерь. Рэлеевское рассеяние обратно пропорционально длине волны. С ростом длины волны рассеяние убывает. На длинах волн выше 1600 нм инфракрасное поглощение становится доминирующим.

Потери, вызванные несовершенством оптоволокна.

Несовершенство волокна -- еще один источник потерь. Это потери включают потери от микроизгибов и макроизгибов. Геометрия волокна -- еще одно важное понятие, описывающее несовершенство и требующее рассмотрения.

Геометрия стекла описывает концевые размерные характеристики оптического волокна. Геометрия (и это уже давно поняли) является главным фактором, определяющим потери в сростке и процент удачно выполненных сростков. Главная цель производителя оптоволокна получить более точную геометрию волокна. Волокно, полученное с соблюдением более жестких допусков на его геометрию, легче и быстрее срастить и при этом быть уверенным в высоком качестве сростка и предсказуемости полученных характеристик.

Три параметра (как показала практика) оказывают наибольшее влияние на характеристики сростка: концентричность сечений сердцевины и оболочки, допуск на диаметр оболочки и собственный изгиб волокна.

Концентричность сердцевины и оболочки дает понять насколько хорошо сердцевина волокна центрируется в стекле оболочки. Улучшение этой характеристики при производстве волокна уменьшает шанс неточного расположения сердцевины, что способствует получению сростков с меньшими потерями.

Внешний диаметр оболочки определяет размер волокна. Чем более жесткой является спецификация диаметра оболочки, тем меньше шансов, что партии волокна будут иметь различные диаметры. Допуск на диаметр оболочки особенно важен, когда используются калиброванные наконечники или осуществляется сочленение разъемных соединителей в полевых условиях. Все эти соединители рассчитаны по диаметру оболочки в месте выравнивания волокон для соединения.

Собственный изгиб волокна указывает на величину кривизны волокна вдоль некоторой длины волокна. Большая величина собственного изгиба может привести к слишком большому смещению волокна при сварке или выравнивании конца волокна в V-образной канавке, что может привести к сросткам с большими потерями.

Литература

Осн.3. [стр. 90-95]

Доп. 3. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Как определяется дисперсия импульсных световых сигналов.

2) Как понять хроматическую дисперсию?

3) Потери и ослабление в оптическом волокне.

Лекция 11. Выбор оптических фильтров по поляризационным свойствам

волоконный оптический кабель сигнал

В цифровых системах принципиальное влияние PMD заключается в том, что она вызывает межсимвольные искажения (ISI). Примерная оценка этого явления -- ухудшение показателей системы примерно на 1 дБ происходит при полной дисперсии примерно 0,4 Т, где Т -- один битовый период. Это приемлемое значение для максимально допустимого ухудшения качества системы. Хотя и нет окончательного решения, но текущий уровень исследований указывает, что оптические волокна и кабели будут оцениваться средним уровнем поляризационной модовой дисперсии -- ПМД, обзор одноканальных и многоканальных систем также называет, что и они будут оцениваться аналогичным средним показателем. Это соответствует величине средней дифференциальной групповой задержки, равной одной десятой битового периода, 0,1 Т. Компьютерное моделирование показывает, что если ПМД имеет максвелловское распределение средним значением не выше 0,1 Т, то с вероятностью меньшей, чем 10-9, ухудшение показателей системы не превысит 1 дБ.

Потери, обусловленные поляризацией (PDL), возникают благодаря дихроизму пассивных оптических элементов, таких как изоляторы, разветвители и т.д., расположенных на пути сигнала. Когда сигнал проходит через дихроичный элемент, составляющая его электрического поля, параллельная оси потерь, ослабляется. Как и в случае ПМД, те оси, которые определяют PDL, ориентированы случайно по отношению друг к другу.

Проанализируем конфигурацию типичной системы, для того чтобы идентифицировать, а затем и управлять PDL. В системе с усилителями, один из режимов управления усилителем - работа при постоянной мощности сигнала. PDL влияет как на сигнал, так и на шум. Однако, учитывая, что шум не подвергается поляризации, воздействие PDL на сигнал и шум будет различным. Шум может быть разложен на составляющую, параллельную сигналу, и составляющую, ортогональную ему. Можно показать, что объединенное действие PDL и оптического усиления сводится к тому, чтобы усилить составляющую шума, ортогональную сигналу. Более того, амплитуда ортогональной составляющей шума изменяется во времени аналогично тому, как поляризация сигнала изменяется под действием ПМД. Это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и величины Q на входе приемника. В дополнению к этому, флуктуации сигнала во времени приводят к явлению фединга отношения сигнал/шум и величины Q на входе приемника. Обе причины ведут к ухудшению показателей системы.

Поляризационный провал усиления (РНВ) является результатом анизотропного насыщения, созданного поляризованным сигналом насыщения, вводимым в эрбиево волокно. Это приводит к снижению населенности возбужденных состояний, ориентированных поляризованным полем. Следовательно, допустимое усиление в ортогональном направлении выше. Хотя эрбиевы ионы распределены случайно в матрице стекла, на микроскопическом уровне диполь, ассоциируемый с эрбиевым ионом, является анизотропным. РНВ-эффект максимален там, где линейно поляризованный насыщенный сигнал ориентирован в направлении главной оси диполя, и уменьшается там, где состояние поляризации насыщенного сигнала -- эллиптическое или круговое. Как сигнальный лазер, так и лазер накачки, вносят свой вклад в этот общий эффект. Полное дифференциальное усиление является векторной суммой двух этих вкладов. Степень провала усиления пропорциональна степени поляризации насыщенного сигнала. Для неполяризованного насыщенного сигнала не существует провала усиления. В принципе, это похоже на случай сигнала с круговой поляризацией.

Общее дифференциальное усиление, благодаря действию РНВ, изменяется с изменением состояния поляризации сигнала (благодаря ПМД) вдоль цепочки усилителей. Оно меняется, так как эффект провала усиления сигнала коррелирован с эффектом накачки. Амплитуда дифференциального усиления изменяется в соответствии с изменением относительных состояний поляризации сигнального лазера и лазера накачки. Поэтому, хотя общий шум изменяется нелинейно при движении по цепочке усилителей, он при этом еще и флуктуирует во времени. Следовательно, как мы уже объясняли выше, отношение сигнал/шум уменьшается и флуктуирует во времени. Добротность системы Q также при этом ухудшается и флуктуирует во времени.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1)Что такое поляризационное свойство?

2) Потери, обусловленные поляризацией.

3) Поляризационный провал усиления.

Лекция 12. Выбор оптических фильтров по другим характеристикам

Другие типы ухудшений системы передачи

1. Накопленный шум, связанный с оптическим усилением

При наличии каскадного соединения ряда ОУ, расположенных вдоль ВОЛС, шум ASE, генерируемый в ОУ, повторяет цикл ослабления и усиления аналогично тому, как это происходит с информационным сигналом. Учитывая, что входящий шум ASE усиливается каждым ОУ, и то, что он добавляется к шуму, который генерируется этим конкретным ОУ, можно предположить, что общая мощность шума ASE увеличивается почти пропорционально числу ОУ, а мощность сигнала уменьшается на эту же величину. В рекомендации указано, что мощность шума может превысить мощность сигнала.

Накопление шума ASE можно уменьшить путем уменьшения расстояния между усилителями, если поддерживать, в то же время, общее усиление равным общим потерям на тракте передачи, так как шум накапливается экспоненциально в зависимости от усиления усилителя (которое при этом снижается). Существуют две технологии фильтрации, которые могут уменьшит шум ASE:

Фильтры шума ASE.

Эффект, или метод, самофильтрации.

Метод самофильтрации используется тогда, когда применяется 10 или
больше ОУ последовательно. В этом методе проектировщик системы настраивает системную длину волны на длину волны самофильтрации так, что происходит снижение шума ASE на входе детектора. Это похоже на использование узкополосного фильтра. Рекомендация сообщает, что этот метод очень эффективен для снижения начального шума ASE, если используется на укороченных пролетах и для ОУ с малым усилением.

Не рекомендуется использовать метод самофильтрации на сетях WDM с топологией замкнутого кольца при использовании ОУ. Принципиальная причина этого в том, что возникает результирующий пик усиления в спектре усиления ОУ, который может оказать значительное влияние на показатели системы. В этом случае рекомендуется использовать фильтры ASE, минимизирующие шум ASE. Это достигается путем фильтрации каналов WDN не предназначенных для использования на данном узле сети.

Если в тандемном соединении используется только несколько усилителей, то метод самофильтрации менее эффективен, чем метод фильтров ASE. Этот последний метод является более гибким в плане выбора рабочих дли волн, с ним легче обеспечить уровень однородности каналов в система WDM. В рекомендации советуют тщательно выбирать характеристик фильтра. Следует отметить, что полоса пропускания каскада фильтров уже, чем полоса одного фильтра, если только она не является прямоугольной, одноканальных системах большой дальности могут быть использованы обычные фильтры, имеющие полосу пропускания на уровне половины максимума порядка 3 нм.

2. Эффект самофильтрации

Существует характеристический профиль спектра усиления (или спектр ASE шума) в результате накопления шума ASE благодаря каскаду ОУ. Этот спектр имеет пик и спектральная ширина этого пика уменьшается с ростом числа ОУ, пока этот процесс не достигнет насыщения при определенном числе усилителей. Это может привести к формированию спектральной линии шириной 2-3 нм при использовании нескольких десятков ОУ. Этот эффект и носит названия самофильтрации.

Характерные параметры одномодового ОВ

В тексте мы уже упоминали 4 типа специального одномодового волокна:

Обычное одномодовое волокно.

Волокно со сдвигом нулевой дисперсии (DSF).

Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZ-DSF).

Волокно с уплощенной/выровненной дисперсией (DFF).

Различают два типа дисперсии в одномодовом волокне:

Материальная дисперсия (DM), вызванная зависимостью показателя преломления от длины волны.

Волноводная дисперсия (DW), являющаяся результатом зависимости от длины волны распределения света фундаментальной моды в сердцевине и оболочке, и вследствие этого разницы показателей преломления.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Какие есть типы ухудшений системы передачи?

2) Когда применяется метод самофильтрации?

3) Эффект самофильтрации.

Лекция 13. Характеристики передачи

Коэффициент затухания. Интуитивно понятно, что ослабление электрических (оптических) сигналов после прохождения вдоль направляющей системы можно оценить отношением мощности сигнала на входе и выходе направляющей системы. Чем это отношение больше, тем ослабление меньше.

Однако в любой направляющей системе, независимо от ее вида, например, оптическое волокно или витая пара, потери при распространении электромагнитной энергии вдоль направляющей системы принято оценивать не просто отношением мощности синусоидального сигнала на ее входе к мощности на выходе, а десятичным логарифмом этого отношения, которое принято называть затуханием. Это объясняется тем, что тракт передачи оптических сигналов состоит не только из волокна, но может содержать коннекторы, механические соединители и другие компоненты, вносящие потери в тракт передачи. Введение понятия затухания позволяет определить суммарные потери в тракте как сумму потерь отдельных его элементов. Затухание в цепях связи принято указывать в зависимости от частоты колебаний, в оптических же волокнах -- в зависимости от длины волны, которая однозначно определяется через частоту колебаний, как отношение скорости распространения волны к частоте.

Затухание (а), дБ, оптического волокна длиной L рассчитывается по формуле:

(9)

где Ро -- мощность света, направляемых мод, введенная в начале волокна; Рl -- мощность света, оставшаяся в волокне на расстоянии L от его начала.

Качество волокна с точки зрения величины потерь передаваемой нему энергии принято оценивать коэффициентом затухания б, т.е. величиной затухания волокна на длине в 1 км, которое может быть определено из выражения:

, (10)

где а - затухание оптического волокна длиной L, дБ; L - длина оптического волокна, км.

Таким образом, коэффициентом затухания оптического волокна, называется величина, характеризующая уменьшение мощности оптического излучения при его прохождении по ОВ, выраженная в дБ, отнесенная к длине оптического волокна. Максимальное значение коэффициента затухания оптических волокон в оптическом кабеле называется коэффициентом затухания оптического кабеля.

Полоса пропускания и хроматическая дисперсия. Дисперсионные характеристики многомодовых волокон принято оценивать полосой пропускания и дополнительно, при необходимости коэффициентом хроматической дисперсии, а одномодовых волокон -- коэффициентом хроматической и поляризационной модовой дисперсии. Ширина полосы пропускания оптического волокна определяется по его передаточной функции, а именно как интервал частот, в котором величина передаточной функции G(f) уменьшается вдвое по сравнению с величиной при нулевой частоте. Передаточная функция определяется как отношение при любой частоте между амплитудой синусоидальной модуляции оптической мощности на входе волокна и амплитудой синусоидальной модуляции оптической мощности на выходе волокна. С увеличением частоты модуляции передаточная функция уменьшается, это происходит за счет переноса оптической мощности из боковых полос частот к несущей частоте, суммарная же оптическая мощность при этом остается неизменной.

Многомодовые волокна направляют сотни мод и каждая имеет свои собственные потери, скорость и длину волны нулевой дисперсии.

Существует оптимальный параметр формы профиля gорt,, при котором теоретически достигается наибольшая полоса пропускания для определенной длины волны. В результате полоса пропускания волокна может быть оптимизирована только на одной длине волны, названной пиковой длиной волны волокна лр. При использовании длины волны отличной от лр полоса пропускания многомодового волокна будет уменьшаться.

Расположение пиковой длины волны волокна может изменяться при помощи изменения параметра формы профиля gорt и здесь имеется различие между волокнами первого и второго окна. Высококачественные волокна первого окна имеют пиковую длину волны 850 нм, тогда как волокна второго окна -- 1300 нм. Двухоконные волокна представляют собой компромисс между этими двумя типами и имеют пиковую длину волны около 1100 нм. Хотя этот компромисс обеспечивает приемлемую полосу пропускания в первом и втором окнах одновременно, широкополосность при л = 850 и 1300 нм никогда не будет выше той, которая может быть достигнута в однооконных волокнах хорошего качества.

Хроматическая дисперсия. Под хроматической дисперсией понимается расширение светового импульса в оптическом волокне из-за различия групповой скорости распространения разных длин волн, которые составляют спектр источника излучения. Хроматическая дисперсия в расчете на единицу ширины спектра источника и единицу длины волокна называется коэффициентом хроматической дисперсии и выражается в пс/нм-км.

Основная полоса частот многомодового волокна. Основная полоса частот (F) учитывает совместное влияние как модовых искажений, так и хроматической дисперсии. Она может быть рассчитана по формуле:

, (11)

где Fмод -- полоса пропускания по модовым искажениям; Fхром -- полоса пропускания по хроматической дисперсии.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Коэффициент затухания.

2) Как рассчитывается затухание оптического волокна?

3) Полоса пропускания и хроматическая дисперсия.

Лекция 14. Характеристики оптических волокон

Для увеличения длины регенерационного участка одним из необходимых условий является уменьшение величины затухания смонтированной волоконно-оптической линии. Так как коэффициент затухания выпускаемых в настоящее время одномодовых волокон близок к теоретическому минимуму, то основное внимание производители волокна уделяют уменьшению отклонений геометрических характеристик волокна от их номинальных значений: диаметра и некруглости сердцевины и отражающей оболочки, эксцентриситет сердцевины и оболочки.

Указанные геометрические характеристики оптического волокна (в соответствии с обозначениями на рисунке 13) могут быть определены следующим образом

; (12)

; (13)

; (14)

; (15)

, (16)

где: d, D -- диаметр соответственно сердцевины и отражающей оболочки; d0, D0 -- диаметр соответственно сердцевины и отражающей оболочки при отсутствии некруглости; е, Е -- некруглость соответственно сердцевины и отражающей оболочки; с -- эксцентриситет; х -- неконцентричность сердцевины и оболочки.

Рисунок 13 - Геометрические соотношения в оптическом волокне: а - идеальное волокно; б - реальное волокно

Ужесточение допусков на геометрические характеристики позволяет значительно уменьшить затухание на стыке волокон при их соединении сваркой или с применением механических соединителей.

В таблице 7.1 приведены требования к допускам на геометрические характеристики одномодовых волокон ведущих производителей оптического волокна.

Таблица 7.1 - Требования к допускам на геометрические характеристики

Характеристика	Допуски и отклонение от номинального значения
Диаметр отражающей оболочки	± 1,0 мкм
Некруглость отражающей оболочки	Меньше 1 %
Неконцентричность сердцевины и отражающей оболочки	Меньше 0,5 мкм

Из данных таблицы 7.1 видно, что ведущие производители оптического волокна применяют в два раза более жесткие допуски на геометрические характеристики по сравнению с рекомендациями сектора стандартизации Международного союза электросвязи.

Цена оптического волокна на мировом рынке при определенном профиле сердцевины зависит от двух основных факторов: величины допусков на геометрические характеристики оптических волокон и стабильности геометрических размеров по длине волокна, а также от числа непрерывно контролируемых характеристик оптического волокна в процессе производства.

Механическая прочность и срок службы оптических волокон

Теоретическая и реальная прочность оптического волокна на разрыв. Для кварцевых оптических волокон принято рассматривать теоретическую и реальную прочность на разрыв. Теоретическая прочность составляет около 20 ГПа. Однако реальная прочность кварцевых волокон в несколько раз меньше теоретической, для лучших образцов кварцевых волокон она не превышает 5 ГПа. Прочность реально изготовленного волокна снижается из-за наличия поверхностных объемных дефектов в заготовках и готовом волокне, а также из-за воздействия внутренних напряжений, возникающих в волокне в процессе вытяжки из заготовок. Неоднородности материалов в стекле или дефекты поверхности стекла создают механически ослабленные места вдоль оптического волокна. О механической прочности оптического волокна можно говорить лишь с определенной степенью вероятности, поскольку местоположения нерегулярностей и их величины имеют случайный характер.

Испытание оптического волокна на прочность и расчет вероятности разрушения волокна. Проверка волокна на прочность и его отбраковка осуществляются путем перемотки волокна через систему роликов с заданной величиной натяжения, которая устанавливается исходя из расчетного срока службы кабеля.

Международный союз электросвязи рекомендует испытывать оптические волокна на механическую прочность при следующих условиях:

напряжение растяжением не менее 0,35 ГПа (что приблизительно соответствует деформации ~ 0,5%);

номинальная длительность испытания составляет 1 с.

Так как после прохождения испытаний волокна на прочность гарантирован определенный наибольший размер трещины, то может быть рассчитан его минимальный срок службы. Для выполнения расчетов должны быть известны следующие три величины:

напряжение растяжения (относительное удлинение) при заводских испытаниях волокна на прочность;

напряжение растяжения, приложенное к волокну в процессе срока службы;

коэффициент устойчивости оптических волокон к статической коррозии.

Чем при большей величине силы растяжения (относительного удлинения) выполнено испытание волокна на прочность, тем больше срок службы оптического волокна в кабеле при прочих равных условиях.

Чем большая итоговая сила растяжения приложена к волокну в процессе эксплуатации кабеля, тем меньше срок службы кабеля. Итоговое напряжение растяжения зависит от остаточной деформации волокна. Причиной остаточной деформации волокна может быть растяжение, скручивание и изгибание, которые возникают при изготовлении, прокладке и эксплуатации кабеля. Остаточная деформация волокна сокращает срок его службы вследствие ускоренного роста трещин из-за присутствия загрязняющих веществ в окружающей среде. Кроме того, остаточная деформация снижает допустимый уровень динамической деформации, которую может выдержать волокно до его разрыва. Наименьшие итоговые остаточные напряжения растяжения в зависимости от способа прокладки оптического кабеля имеют место при прокладке кабеля в трубопроводах методом вдувания, а наибольшие напряжения растяжения в процессе эксплуатации может испытывать самонесущий подвесной кабель при воздействии гололедной и ветровой нагрузки, а также в случае ослабления по той или иной причине упрочняющих элементов при прокладке или эксплуатации.

Динамическая деформация волокна также уменьшает срок службы волокна. Она может возникать при ударах и толчках во время прокладки а также в течение срока эксплуатации самонесущих кабелей. Динамическая деформация возникает при самопроизвольной вибрации самонесущего кабеля, а также при воздушных вводах кабеля за счет падения гололеда с выше расположенных проводов и падения глыб льда с крыш. Для защиты оптического кабеля на вводах необходимо предусмотреть подвеску металлического троса выше ОКС. Динамическая деформация, наряду со статической деформацией, вызывает ускоренный рост трещин, а при превышении определенного значения может произойти разрыв оптического волокна. Поэтому в процессе прокладки, монтажа и эксплуатации оптического кабеля его нельзя подвергать воздействию ударных нагрузок.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Какая пиковая длина высококачественного волокна первого окна?

2) Хроматическая дисперсия.

3) Какие есть требования к допуская на геометрические характеристики?

Лекция 15. Регенераторы

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) начали широко использоваться в 1980-х. Каждое волокно передавало один поток импульсов, представляющих двоичные 1 и 0. Модель такой системы в 1980-х могла бы включать источник света, подключенный к нему волоконно-оптический кабель, детектор света, удаленный на какое-то расстояние. Максимальное расстояние между источником и детектором зависело от уровня выходной мощно-лазерного источника, потерь в оптических разъемах, в сростках, в волокне, а также от скорости передачи и чувствительности детектора света, и нужно было увеличить длину линии связи, то устанавливали регенератора. Следуя этой методике, можно было бы обеспечить связь по всему континенту. Более того, емкость этой системы связи могла составлять сотни мегабит в секунду. Эта полная емкость могла бы передаваться по одному окну в одном направлении; для обеспечения полнодуплексной связи можно было бы использовать другое волокно, для передачи в противоположном направлении. При увеличении емкости в такой системе регенераторные секции становились короче и короче. Число активных элементов в эй схеме формирования системы заметно ухудшало доступность системы в целом. Кроме этого также возрастал уровень джиттера. Регенератор в то время был не более чем приемником света, выход которого замыкался непосредственно на вход передатчика.

Применение регенераторов в оптических системах

Регенератор принимает искаженный оптический сигнал на свой вход и преобразует его в почти идеальную копию сигнала, похожую на ту, какая была передана предыдущим передатчиком. Этот регенерированный сигнал практически свободен от искажений. Функция регенерации выполняется полностью цифровым передатчиком и приемником. Устройство, которое мы будем рассматривать здесь - автономный регенератор. Оптические усилители не регенерируют цифровой оптический сигнал. На рисунке 8.1 показана блок-схема цифрового оптического регенератора.

Системные инженеры ВОСП используют методы расчета линии на основе бюджета мощности для определения местоположения регенератора. Это такая точка, где накопленные потери линии приводят к существенному ухудшению показателей системы.

Вернемся к рисунку 14 и проанализируем его слева направо. Вход регенератора представляет собой оптический сигнал, искаженный и ослабленный за счет накопленной дисперсии и потерь в секции, которую он прошел. Оптические импульсы, которые представляют двоичные 1, преобразуются в электрические 1, а битовые позиции, где такой импульс отсутствует или он очень мал, преобразуются в электрические двоичные 0. Этот электрический сигнал передается через электрическую схему приемника, где осуществляется восстановление сигнала тактовой синхронизации. Окончательное решение о том, что существует в той или иной битовой позиции 1 или 0, определяется в процессе демодуляции оптического сигнала. В современных системах все эти функции выполняются в интегрированном PIN-приемнике.

Двоичный сигнал передается в блок терминирования транспортной функции SONET. Здесь получают доступ к транспортному заголовку SONET, что позволяет передать центру управления сетевых операций статус регенератора и качество битового потока.



Рисунок 14 - Упрощенная блок-схема цифрового оптического регенератора

Электрический сигнал блока терминирования транспортной функции SONET передается затем лазерному передатчику, который генерирует эквивалентные оптические импульсы, инициируемые потоком бит. Уровень оптической мощности лазерного передатчика, передаваемый в отходящее волокно, лежит в диапазоне от 0 до +3 дБм. Однако, если инженер-проектировщик волоконно-оптической линии связи хочет удлинить пролет/секцию (расстояние между соседними регенераторами, между регенератором и мультиплексором ввода-вывода или между регенератором и оптическим терминалом), он может разместить оптический усилитель на выходе регенератора, где сигнал может быть усилен на 20-25 дБ.

Регенератор имеет два преимущества, которых не имеет усилитель. Усилитель не регенерирует цифровой сигнал, тогда как регенератор делает это. Преимущество здесь состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал, в котором аккумулированы все формы искажений. Этот же цифровой сигнал, содержащий те же самые плюс добавленные усилителем шумы и искажения, выходит из усилителя. В противоположность этому, регенератор устраняет большинство искажений и ухудшений цифрового сигнала и подает на выход прямоугольную последовательность двоичных импульсов. Второе преимущество регенератора состоит в том, что он имеет доступ к заголовку поля ОА&М (управления, эксплуатации и технического обслуживания) в SONET или SDH для обеспечения статуса регенератора и битового потока, проходящего через него. Этот статус сообщается в сетевой центр управления, ответственный за данную сеть. Это обеспечивает сетевому оператору прекрасную возможность для мониторинга и технического обслуживания. Усилитель же не имеет такого легкого доступа к битовому потоку, так как он не занимается демодуляцией-ремодуляцией двоичного потока, в отличие от регенератора.

Удаленные регенераторы питаются с помощью одного из следующих методов:

1. Они могут питаться от пары проводов, протянутой от основной системы питания ближайшего мультиплексора или терминала.

2. Они могут использовать локальное питание от местной энергокомпании. Они должны иметь источники бесперебойного питания или питаться локально от солнечных батарей, небольших газотурбинных установок, ветроустановок с батарейными резервными источниками.

Удаленные ОУ должны получать питание аналогичным способом.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Какие регенераторы используются в оптических системах?

2) Нарисуйте упрощенную блок-схему цифрового оптического регенератора.

3) Какие преимущества имеет регенератор?

Лекция 16. Волоконно-оптические усилители

Существуют три основных типа оптического усилителя (ОУ), которые были разработаны для использования в ВОСП: усилители на лазерных диодах, усилители на легированном волокне и романовские усилители. В настоящее время ОУ на легированном волокне доминируют на рынке. Для легирования используется элемент эрбий, а сами ОУ называются усилителем на волокне, легированном эрбием (EDFA). Конкурирующие с ними ОУ на лазерных диодах до сих пор уступали им дороговизной производства, чувствительностью к поляризации и высоким уровнем перекрестных помех.

На рисунке 15 показана упрощенная блок-схема усилителя типа EDFA. Она содержит лишь один активный блок -- блок накачки. Накачка использует обычно лазерный источник света, похожий на то, что используется в передатчике. Для промышленных усилителей EDFA используются источники накачки 980 или 1480 нм.

Конфигурация, приведенная на рисунке 8.2, является элементарным мультиплексором с разделением по длине волны, где разветвитель играет роль комбайнера/мультиплексора, т.е. просто объединяет световой сигнал накачки с рабочим оптическим сигналом. Эти два сигнала проходят через активную область (волокно), где и происходит фактическое усиление сигнала. Активная область состоит из специально приготовленного оптического волокна, которое в определенной степени легировано эрбием, редкоземельным элементом. В ОУ типа EDFA с наиболее простой схемой необходимое усиление обеспечивается в относительно узкой полосе длин волн от 1525 до 1565 нм. Однако то, что мы называем узкой полосой длин волн, обеспечивает достаточное пространство для размещения многих WDM каналов.

Одно из преимуществ такого ОУ над регенератором в том, что в многоканальной системе WDM на каждый канал требуется отдельный регенератор, тогда как на всю систему WDM требуется только один усилитель. Пусть, например, система WDM имеет 16 каналов. Тогда для этой конфигурации требуется 16 регенераторов и всего один ОУ. Более того, ОУ прозрачен по отношению к проходящему потоку бит, тогда как регенератор рассчитан на определенную скорость потока. При большой длине системы (например, больше 700 км) требуется использовать по крайней мере один регенератор для того, чтобы ослабить действие дисперсии и восстановить форму сигнала

Рисунок 15 - Упрощенная схема усилителя на волокне легированном эрбием

Усилители на лазерных диодах. Существуют три типа усилителей на лазерных диодах: с блокировкой инжекции, типа Фабри--Перо и типа бегущей волны (TW). Первые два типа отличаются порогом генерации лазера. У оптических усилителей с лазерным диодом и блокировкой инжекции обычный лазерный диод смещен выше порога генерации лазера и работает как усилитель. Усилитель типа Фабри-Перо -- усилитель с лазерным диодом, который смещен ниже порога генерации лазера. Усилитель бегущей волны (УБВ) - полупроводниковый усилитель, ограничивающие поверхности которого покрыты антиотражающим покрытием. В последнее время УБВ стал доминировать в этой группе усилителей, учитывая его прекрасные характеристики и прогресс, достигнутый в области антиотражающих покрытий. В отличие от ОУ на легированном волокне, усилители на лазерных диодах могут быть спроектированы так, чтобы хорошо работать на любой длине волны, где могут работать лазеры (т.е. передатчики).

Максимальное усиление усилителя на лазерном диоде при инжекционном токе 80 мА составляет 19 дБ, а ширина полосы на уровне --3 дБ -- примерно 50 нм. Достаточно широкая полоса пропускания -- одно из преимуществ полупроводниковых лазерных усилителей. Можно ожидать и более широкий спектр усиления при использовании лазеров с множественными квантовыми (потенциальными) ямами (MQW), благодаря их своеобразной структуре энергетических зон. Уровень шума этих усилителей порядка 5-7 дБ.

Существуют три различных способа размещения волоконно-оптических усилителей (ВОУ), как показано на рисунке 16 На рисунке 16(a) показано их использование в режиме линейного усилителя. В этом случае усилители устанавливаются в стратегических точках вдоль волоконно-оптического тракта для усиления сигнала до такого уровня, чтобы он соответствовал желаемому диапазону чувствительности удаленного мультиплексора ввода-вывода или оконечного приемника.



Рисунок 16 - Три различных варианта использования волоконно-оптических усилителей: (а) линейный усилитель; (б) мощный усилитель (бустер) (в) предусилитель

На рисунке 16(б) показан мощный усилитель (бустер). При обычной конфигурации его помещают сразу за оптическим передатчиком, для увеличения мощности сигнала до уровня +15 -- +20 дБм. Такие уровни сигнала необходимы либо для большой длины пролета, либо тогда, когда используется большое число пассивных элементов с существенным уровнем вносимых потерь, как например, в системах WDM.

На рисунке 16(в) показан ВОУ, используемый в качестве предусилителя. В этом случае ВОУ помещается на удаленном конце тракта, непосредственно перед удаленным приемником. В большинстве случаев в такой конфигурации усилитель интегрируется с приемником. В этом случае ВОУ понижает уровень чувствительности приемника. Усилитель получает сигнал низкого уровня, прошедший долгий путь или через ряд элементов с большим уровнем потерь, и повышает его до уровня, приемлемого для приемника.

Усилители на лазерных диодах могут использоваться во всех трех вариантах, показанных на рисунке. Они могут работать в диапазоне длин волн 1310 нм, где усилители типа EDFA имеют неудовлетворительные характеристики. Известно, что усилители EDFA специально предназначены для диапазона длин волн 1550 нм.

Когда ОУ на лазерных диодах используется в качестве предусилителя (рисунке 8.3(b)), результирующий уровень сигнала, подаваемый на оптический приемник, оказывается таким большим, что характеристики приемника ограничиваются не столько уровнем теплового шума, сколько уровнем дробового шума. Эти предусилители ухудшают отношение сигнал/шум также за счет шума спонтанного излучения. Относительно высокий коэффициент шума (порядка 5-7 дБ) типового усилителя на лазерных диодах делает их не очень идеальными для использования в качестве предусилителя. Но даже в этом случае, они могут значительно улучшить чувствительность приемника.

Если усилитель на лазерном диоде используется в качестве мощного усилителя (бустера, рисунке 8.3(б)), его выходная мощность ограничена, обычно на уровне < 10 мВт. Это объясняется его относительно малой (примерно 5 мВт) выходной мощностью насыщения.

Полупроводниковые ОУ (ПОУ) имеют ряд недостатков, которые делают непрактичным их использование в качестве линейного усилителя. Среди этих недостатков можно отметить: чувствительность к поляризации, переходные помехи между каналами (чувствительные для систем WDM), большие потери при вводе в волокно. В усилителях EDFA таких проблем нет, но они, как мы уже отмечали, могут быть использованы только в окне прозрачности 1550 нм.

Критические рабочие параметры усилителей типа EDFA

Выходная характеристика усилителя EDFA на основе кварцевого волокна изменяется в зависимости от длины волны в полосы усиления. То же можно сказать и про усиление такого усилителя. Усиление также зависит от мощности и состояния поляризации входного сигнала. Оно будет также меняться в зависимости от относительной входной мощности каждого канала WDM/DWDM. Следовательно, влияние временного распределения входной мощности, как правило, в моменты ввода нового или вывода существующего каналов, должно как-то характеризоваться и управляться в рамках используемых многоканальных применений. Усиление ОУ типа EDFA может быть вычислено по заданной средней входной мощности Рin и средней выходной мощности Роut. Заметим, что в приведенном ниже выражении мощности даны по отношению к определенной длине волны рассматриваемого сигнала.

, (17)

где Раsе -- уровень мощности усиленного спонтанного излучения.

Заметим, что составляющая мощности ASE вычитается при вычислении усиления GdВ в выражении (8.1).

Усиление оптического усилителя существенно зависит от уровня входного сигнала. Интересно заметить, что усилитель демонстрирует большое усиление для слабых входных сигналов. Например, усиление больше 30 дБ можно ожидать для входных сигналов меньше чем --20 дБм. Таким образом, нелинейность амплитудной характеристики -- важный параметр для больших уровней сигнала.

Для того, чтобы охарактеризовать усиление EDFA, необходимо включить в тест определение малосигнального усиления, полосу на уровне --3 дБ и выходную мощность насыщения. Эти три параметра могут изменяться с длиной волны входного сигнала. Критическими являются следующие параметры усилителя EDFA, определенные ниже:

Профиль -- термин, используемый для описания зависимости от длины волны той или иной характеристики. Усиление шума выражается в дБ по отношению к одной волне, а профиль усиления шума это усиление конкретного усилителя в зависимости от изменения длины волны.

Равномерность усиления -- максимальная разность усиления в отдельных каналах на выходе усилителя при условии, что мощности сигнала на всех входах одинаковы.

Усиление сигнала -- принципиальный показатель, который определяет рабочую точку усилителя. Усиление шума, с другой стороны, является усилением, относящимся к малому сигналу, который даже будучи усилен не влияет на рабочую точку, тогда как последующий большой сигнал приводит усилитель в насыщение.

Перекрестное насыщение усиления -- изменение усиления конкретного канала, когда входной уровень другого канала (или нескольких каналов) изменяется на некоторую величину.

Рамановские усилители

«Рамановское усиление возникает тогда, когда фотоны накачки высокой энергии (коротких длин волн) рассеивают колебательные моды матричной решетки материала (оптические фононы) и когерентно добавляют их к сигнальным фотонам низкой энергии (больших длин волн)». При практической реализации этот процесс носит название передача с помощью эффекта Романа (D-RAT); свет накачки вводится в волоконный линейный усилитель со стороны, противоположной вводу сигнала. В этой конфигурации рамановский усилитель работает как малошумящий предусилитель. Основное преимущество низкоуровневого рамановского усиления в том, что он не вносит дополнительных нелинейностей в волокно.

При проектировании ВОСП оптоволоконный пролет переносит сформированный (многоволновой) сигнал WDM; комбинация распределенного рамановского усилителя и усилителя EDFA в тандемном соединении дает прекрасные результаты и позволяет уменьшить нарастание ASE.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Какие типы существуют оптического усилителя?

2) Уилители на лазерных диодах.

3) Существуют какие способы размещения волоконно-оптических усилителей?

Лекция 17. Мультиплексирование с разделением по длине волны

Возрастание требований на пропускную способность ВОСП

Если оценивать рост требований на емкость/скорость передачи, показывающей, что емкость ВОСП возрастает в 4 раза каждые 18 месяцев. Из всех средств, имеющихся в нашем распоряжении, только оптоволокно удовлетворяет этим потребностям роста. Существует два пути удовлетворить этим требованиям:

Установить новый кабель с большим числом волокон или использовать имеющиеся темные волокна.

Применить технологию мультиплексирования с разделением по длине на уже имеющемся волокне или на новом проложенном волокне.

На рисунке 17 разветвитель играет роль оптического комбайнера. Для простоты разветвитель (из комбайнера) мог бы быть пассивным сплиттером при использовании, например, биконического сплавного с отводами разветвителя в обратном направлении (замене входов на выходы). Сплиттер, приведенный на правой стороне рисунке 17, мог бы быть тем же самым устройством, использованном в обратном направлении. Оба порта этого сплиттера содержат сигналы л1 и л2.

Рисунок 17 - Концептуальная блок-схема двухволновой системы WDM. На начальном этапе эти две волны соответствовали: л1 = 1310 нм и л2 = 1550 нм

Фильтры, на основе технологии тонких пленок, блокируют передачу энергии нежелательного спектра сигнала и позволяют пропустить энергию желаемого спектра сигнала.

Паpa мультиплексор-демультиплексор является основой для системы WDM. Как показано на рисунке 17, мультиплексор может быть просто комбайнером -- устройством объединения нескольких несущих длин волн. Демультиплексор напротив, выполняя обратную операцию, может быть совсем другим. Он должен выделять отдельные длины волн из агрегированного потока. Следовательно, демультиплексор требует использования механизма селекции длин волн. Эти механизмы делятся на две широкие категории: демультиплексоры на основе дифракции и демультиплексоры на основе интерференции.

Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Фабри--Перо (Ф-П) является устройством интерференционного типа, основанным на многократном отражении светового луча от двух поверхностей тонких пластин. Его принцип действия показан на рисунке 17. Существует интерференционный максимум для каждой длины волны, который математически выражается так:

тл= 2d cos б, (18)

где т -- целое число, a d -- расстояние между пластинами.

Интерферометр использует многократные отражения между двумя близко расположенными частично посеребренными поверхностями. Часть света проходит, а часть отражается каждый раз, когда свет достигает второй поверхности, образуя в результате много смещенных лучей, которые могут интерферировать друг с другом. Большое количество интерферирующих лучей создает интерферометр с исключительно высоким разрешением. Это чем-то напоминает множество щелей (шлицев) дифракционной решетки, которое увеличивает ее разрешение.

Фильтры Маха-Цендера

Интерферометр Маха-Цендера (М-Ц) можно сделать путем соединения двух выходных портов 3-дБ разветвителя к двум входным портам другого 3-дБ разветвителя. Первый разветвитель расщепляет оптический сигнал на два равных потока, где каждый поток приобретает различные фазы (когда длины ветвей разветвителя оказываются различными до того, как во втором разветвителе произойдет интерференция одного расщепленного сигнала с другим).

Относительная фаза зависит от длины волны и коэффициента пропускания Т(v), который тоже зависит от длины волны. Он может быть вычисли по формуле:

T(v) = cos2(рхфт), (19)

где фт -- относительная задержка между двумя ветвями интерферометра М-Ц, а х -- частота. Цепочка каскадов таких интерферометров М--Ц с определенным образом настроенными задержками работает как оптический фильтр, который может быть настроен путем небольшой подстройки длин ветвей.

Фильтры на тонких пленках

Тонкопленочные фильтры используют многослойные покрытия диэлектрических фильтров. Когда многоволновой сигнал падает на поверхность фильтра, то каждый слой фильтра вынуждает различные длины волн падающего сигнала отразиться или пройти через него, в зависимости от длины волны и конструкции фильтра. Каждая длина волны, таким образом, вносит конструктивный или деструктивный вклад в проходящий сигнал. Соответствующие длины волн такого сигнала или исчезали, или сохранялись, проходя до самого выхода. Такие фильтры, обычно, имеют большое число слоев, так, что их характеристиками пропускания можно достаточно жестко управлять. Это позволяет передавать (пропускать) относительно узкую полосу длин волн, или даже, одну длину волны.