Зміст

Введення 4
Обгрунтування реконструкції магістральної ВОЛЗ 6
Глава 1. Основні принципи цифрової системи передачі STM-64 7
1.1. Основи синхронної цифрової ієрархії 7
1.2. Методи мультиплексування інформаційних потоків 10
1.2.1. Метод тимчасового мультиплексування (ТDМ) 10
1.2.2. Метод частотного ущільнення (FDM) 11
1.2.3. Ущільнення по поляризації (PDM) 11
1.2.4. Многоволновое мультиплексування оптичних несучих (WDM) 12
Глава 2. Основні відомості про ВОЛЗ 15
2.1. Волоконно-оптичні кабелі 18
2.1.1. З'єднання оптичних волокон 19
2.2. Оптичне волокно. Загальні положення 20
2.3. Розповсюдження світлових променів в оптичних волокнах 21
2.4. Моди, що розповсюджуються в оптичних хвилеводах 22
2.5. Одномодові оптичні волокна 25
2.6. Константа поширення і фазова швидкість 28
Глава 3. Процеси, що відбуваються в оптичному волокні, і їх вплив на швидкість і дальність передачі інформації 31
3.1. Загасання оптичного волокна 31
3.2. Дисперсія 34
3.3. Розповсюдження світлових імпульсів в середовищі з дисперсією 38
3.3.1. Фізична природа хроматичної дисперсії 43
3.3.2. Вплив хроматичної дисперсії на роботу систем зв'язку 44
3.4. Поляризаційна модів дисперсія 44
3.4.1. Природа поляризаційних ефектів в одномодовим оптичному волокні 45
3.4.2. Контроль PMD в процесі експлуатації ВОСП. 50
Глава 4. Методи компенсації хроматичної дисперсії 51
4.1. Огляд методів компенсації дисперсії 51
4.1.1. Оптичне волокно, що компенсує дисперсію. 53
4.1.2. Компенсатори на основі брегговскіх решіток із змінним періодом. 55
4.1.3. Компенсатори хроматичної дисперсії на основі планарних інтерферометрів і мікро-оптичних пристроїв. 58
4.1.4. Способи компенсації дисперсії, засновані на управлінні передавачем або приймачем випромінювання. 60
Глава 5. Розрахунок технічних характеристик магістральної ВОЛЗ 62
5.1. Паспортні технічні дані приймально-передавального обладнання і ВОК, що використовуються при розрахунках дисперсії і загасання 62
5.2. Розрахунок дисперсії ВОЛЗ 63
5.2.1. Розрахунок поляризаційною модової дисперсії 64
5.2.2. Розрахунок хроматичної дисперсії 64
5.3. Розрахунок енергетичного бюджету 66
5.4. Розрахунок лінії зв'язку з урахуванням компенсації дисперсії 66
Висновок 69
Список використаних джерел інформації 71
Список прийнятих скорочень 72

Введення


Світ телекомунікацій і передачі даних зіштовхується
з динамічно зростаючим попитом на частотні ресурси. Ця тенденція в
основному пов'язана зі збільшенням числа користувачів Internet і також зі зростаючим
взаємодією міжнародних операторів і збільшенням обсягів переданої інформації.
Смуга пропускання в розрахунку на одного користувача стрімко збільшується.
Тому постачальники засобів зв'язку при побудові сучасних інформаційних
мереж використовують волоконно-оптичні кабельні системи найбільш часто. Це
стосується як побудови протяжних телекомунікаційних магістралей, так і
локальних обчислювальних мереж. Оптичне волокно (ОВ) в даний час вважається
найдосконалішою фізичним середовищем для передачі інформації, а також самої
перспективним середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані.
Сьогодні волоконна оптика знаходить застосування практично у всіх завданнях,
пов'язаних з передачею інформації. Широкомасштабне використання волоконно-оптичних
ліній зв'язку (ВОЛЗ) почалося приблизно 40 років тому, коли прогрес
в технології виготовлення волокна дозволив будувати лінії великої протяжності.
Зараз обсяги інсталяцій ВОЛЗ значно зросли. У міжрегіональному масштабі
слід виділити будівництво волоконно-оптичних мереж синхронної цифрової
ієрархії (SDH). Стрімко входять в наше життя волоконно-оптичні інтерфейси
в локальних і регіональних мережах Ethernet, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet,
ATM. В даний час по всьому світу постачальники послуг зв'язку прокладають
за рік десятки тисяч кілометрів волоконно-оптичних кабелів під землею, по дну
океанів, річок, на ЛЕП, в тунелях і колекторах. Безліч компаній, у тому числі
найбільші: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Alcoa Fujikura, Siemens,
Pirelli ведуть інтенсивні дослідження в галузі волоконно-оптичних технологій.
До числа найбільш прогресивних можна віднести технологію надщільного хвильового
мультиплексування по довжині хвилі DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing),
що дозволяє значно збільшити пропускну здатність існуючих
волоконно-оптичних магістралей. Область можливих застосувань ВОЛЗ досить широка
- Від лінії міського та сільського зв'язку та бортових комплексів (літаки, ракети,
кораблі) до систем зв'язку на великі відстані з високою інформаційною місткістю.
На основі оптичної волоконної зв'язку можуть бути створені принципово нові
системи передачі інформації. На базі ВОЛЗ розвивається єдиний інтегральна
мережа багатоцільового призначення. Досить перспективно застосування волоконно-оптичних
систем в кабельному телебаченні, яке забезпечує високу якість зображення
і суттєво розширює можливості інформаційного обслуговування абонентів.
Багатоканальні ВОСП широко використовуються на магістральних та зонових мережах зв'язку
країни, а також для пристрою сполучних ліній між міськими АТС. Пояснюється
це тим, що по одному ОВ може одночасно поширюватися багато
інформаційних сигналів на різних довжинах хвиль, тобто по оптичним кабелів (ОК)
можна передавати дуже великий обсяг інформації. Особливо ефективні й економічні
підводні оптичні магістралі. У волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛЗ)
цифрові системи передачі знайшли саме широке розповсюдження як найбільш прийнятні
за своїми фізичними принципами для передачі. На основі ОК створюються локальні
обчислювальні мережі різної топології (кільцеві, зоряні та ін.) Такі
мережі дозволяють об'єднувати обчислювальні центри в єдину інформаційну систему
з великою пропускною здатністю, підвищеною якістю і захищеністю від несанкціонованого
Легкість, малогабаритність, незаймистість ОК зробили
їх дуже корисними для монтажу і обладнання літальних апаратів, суден
та інших мобільних пристроїв. Обгрунтування реконструкції магістральної ВОЛЗ
На ділянці Тюмень - Ялуторовськ прокладено волоконно-оптичний кабель Fujikura OGNMLJFLAP-WAZE
SM · 10/125x8C тип 3, по якому здійснюється робота цифрової системи
передачі (ЦСП) STM-4, що забезпечує передачу інформації зі швидкістю 622,08
Мбіт/с. Використовувана в даний час ЦСП не задовольняє зростаючим потребам
клієнтів в пропускної здатності волоконно-оптичної лінії зв'язку. Так
як обсяг переданої інформації постійно зростає, необхідно збільшити швидкість
передачі сигналів по ВОЛЗ шляхом реконструкції, яка полягає в заміні
приймально-передавального обладнання ЦСП STM-4 на STM-64. Перед виконавцем дипломної
роботи поставлені наступні завдання: - вивчити конструкцію і параметри магістральної
ВОЛЗ Тюмень-Ялуторовськ; - оцінити можливість передачі сигналу STM-64
за існуючої магістральної ВОЛЗ Тюмень-Ялуторовськ; - вивчити можливі варіанти
реконструкції ВОЛЗ і виділити найбільш еффектівний.Глава 1. Основні принципи
цифрової системи передачі STM-64 1.1. Основи синхронної цифрової ієрархії Структура
первинної мережі зумовлює об'єднання і розділення потоків переданої
інформації, тому що використовуються на ній системи передачі будуються за ієрархічним
принципом. Стосовно до цифрових систем цей принцип полягає
в тому, що кількість каналів ЦСП, відповідне даному ступені ієрархії, більше числа
каналів ЦСП попередньої ступені в ціле число разів. Аналогові системи передачі
з ЧРК також будуються за ієрархічним принципом, але на відміну від ЦСП для них
ступенями ієрархії є не самі системи передачі, а типові групи каналів.
Цифрова система передачі, що відповідає першій ступені ієрархії, називається
первинної; в цій ЦСП здійснюється пряме перетворення відносно невеликого
числа первинних сигналів у первинний цифровий потік. Системи передачі другої
ступені ієрархії об'єднують певне число первинних потоків у вторинний
цифровий потік і т.д. У рекомендаціях МСЕ-Т представлено два типи ієрархій
ЦСП: плезіохронная цифрова ієрархія PDH і синхронна цифрова ієрархія SDH. Первинним
сигналом для всіх типів ЦСП є цифровий потік зі швидкістю передачі
64 кбіт/с, званим основним цифровим каналом (ОЦК). Для об'єднання сигналів
ОЦК у групові високошвидкісні цифрові сигнали використовується принцип тимчасового
розділення каналів. Нові технології телекомунікацій стали розвиватися
у зв'язку з переходом від аналогових до цифрових методів передачі даних, заснованих
на імпульсно-кодової модуляції (ІКМ) і мультиплексуванні з тимчасовим поділом
каналів. У плезіохронной цифрової ієрархії PDH мультиплексор сам вирівнює
швидкості вхідних потоків шляхом додавання потрібної кількості нівелюючих біт в
канали з меншими швидкостями передачі. Звідси слідували недоліки PDH - неможливість
виведення потоку з меншою швидкістю з потоку з більшою швидкістю передачі
без повного демультиплексування цього потоку і видалення нівелюючих біт.
Недоліки PDH викликали необхідність у розробці синхронної цифрової ієрархії
SDH, яка дозволила вводити/виводити вхідні потоки без необхідності проводити
їх складання/розбирання і систематизувати ієрархічний ряд швидкостей передачі
[1]. SDH має наступні переваги перед PDH: - спрощення мережі, викликане
можливістю вводити/виводити цифрові потоки без їх складання або розбирання як в
PDH; - перешкодозахищеність - мережа використовує волоконно-оптичні кабелі (BOК), передача
по яких практично не схильна до дії електромагнітних перешкод; -
виділення смуги пропускання на вимогу - цей сервіс тепер може бути наданий
в лічені секунди шляхом перемикання на інший (широкосмуговий) канал; -
прозорість для передачі будь-якого трафіку - факт, обумовлений використанням
віртуальних контейнерів для передачі трафіку, сформованого іншими технологіями,
включаючи найсучасніші технології Frame Relay, ISDN та ATM; - універсальність
застосування - технологія використовується для створення глобальних мереж або
глобальної магістралі та для корпоративної мережі, що об'єднує десятки локальних
мереж; - простота нарощування потужності - за наявності універсальної стійки для розміщення
апаратури перехід на наступну більш високу швидкість ієрархії можна
здійснити просто вийнявши одну групу функціональних блоків і вставивши нову (розраховану
на велику швидкість) групу блоків. SDH дозволяє організувати універсальну
транспортну систему, що охоплює всі ділянки мережі і виконує функції
як передачі інформації, так і контролю і управління. Вона розрахована на транспортування
всіх сигналів PDH, а також всіх діючих і перспективних служб,
в тому числі і широкосмугового цифрової мережі з інтеграцією служб (ISDN), що використовує
асинхронний спосіб перенесення (АТМ). Лінійні сигнали SDH організовані в так
звані синхронні транспортні модулі STM (Synchronous Transport Module)
(Табл. 1.1). Перший з них - STM-1 - відповідає швидкості передачі інформації
155 Мбіт/с. Кожен наступний має швидкість в 4 рази більшу, ніж попередній,
і утворюється побайтно синхронним мультиплексуванням. В даний час експлуатуються
або розробляються SDH системи зі швидкостями, відповідними остаточної
версії SDH ієрархії: STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, STM-256 або 155,52,
в STM-4 * N здійснюється безпосередньо за схемою:. Збільшення швидкості передачі
призводить до зменшення тривалості імпульсного сигналу. Оскільки при поширенні
по ОВ відбувається «розмивання» (див. п. 3.2.) і «напливаніе» імпульсів один
на одного, при дуже довгою ВОЛЗ приймач випромінювання вже не може розпізнати
окремі імпульси. В результаті посилюються вимоги до ВОЛЗ за дисперсії, яка
і визначає збільшення тривалості. 1.2. Методи мультиплексування інформаційних
потоків Існує декілька способів збільшення пропускної здатності
систем передачі інформації. Більшість з них зводиться до одного з методів
ущільнення компонентних інформаційних потоків в один груповий, який передається
по лінії зв'язку. Оскільки більшість з методів ущільнення знаходить широке
застосування в сучасних системах зв'язку, розглянемо кожен з них. 1.2.1.
Метод тимчасового мультиплексування (ТDМ) В даний час метод тимчасового ущільнення
інформаційних потоків (TDM - Time Division Multiplexing) є найбільш
поширеним. Він застосовується при передачі інформації в цифровому вигляді.
Суть його полягає в наступному. Процес передачі розбивається на ряд тимчасових циклів,
кожен з яких у свою чергу розбивається на N субціклов, де N - число
ущільнюються потоків (або каналів). Кожен субцікл підрозділяється на тимчасові
позиції, тобто тимчасові інтервали, протягом яких передається частина інформації
одного з цифрових мультіплексіруемих потоків. Крім того, деяке число
позицій відводиться для ідентифікаційних синхроімпульсів, вставок і цифрового потоку
службового зв'язку. Метод тимчасового ущільнення підрозділяється на два види -
асинхронне або плезіохронное, тимчасове мультиплексування (PDH, ATM) і синхронне
тимчасове мультиплексування (SDH). Сучасні технології дозволяють забезпечити
швидкість передачі групового сигналу 10 Гбіт/с (STM-64). Кілька років
тому вважалося, що це межа для електронних пристроїв мультиплексування.
Однак, завдяки розвитку нових електронних технологій (напівпровідникові структури
на основі арсеніду галію, мікровакуумних елементів) вже створені лабораторні
зразки електронних мультиплексорів для швидкості 40 Гбіт/с (STM-256), підготовлені
для серійного промислового виробництва [3]. Наукові дослідження в
цієї області тривають з метою подальшого збільшення швидкості передачі. 1.2.2.
Метод частотного ущільнення (FDM) При частотному методі мультиплексування
(FDM - Frequency Division Multiplexing) кожен інформаційний потік передається
з фізичного каналу на відповідній частоті - піднесе? Пн Якщо як
фізичного каналу виступає оптичне випромінювання - оптична несуча, то
вона модулюється за інтенсивністю груповим інформаційним сигналом, спектр якого
складається з ряду частот піднесуча, кількість яких дорівнює кількості компонентних
інформаційних потоків. Частота піднесучій кожного каналу вибирається виходячи
з умови? пн? 10? Вчп, де? Пн - частота піднесе,? Вчп - верхня частота
спектру інформаційного потоку. Частотний інтервал між піднесуча?? Пн вибирається
з умови?? пн? ? вчп. На приймальній стороні оптична несуча потрапляє
на фотодетектора, на навантаженні якого виділяється електричний груповий потік,
вступник після підсилення в широкосмуговому підсилювачі прийому на входи вузькосмугових
фільтрів, центральна частота пропускання яких дорівнює одній з піднесуча
частот [3]. В якості компонентних потоків можуть виступати як цифрові, так
і аналогові сигнали, В даний час в кабельних системах передачі частотне
ущільнення застосовується в багатоканальному кабельному телебаченні, де для цієї
мети відведений діапазон частот 47 - 860 МГц, тобто як метровий, так і дециметровий
діапазони ТБ. 1.2.3. Ущільнення по поляризації (PDM) Ущільнення потоків інформації
за допомогою оптичних несучих, що мають лінійну поляризацію, називається ущільненням
по поляризації (PDM - Polarization Division Multiplexing). При цьому
площину поляризації кожної несучої повинна бути розташована під своїм кутом. Мультиплексування
здійснюється за допомогою спеціальних оптичних призм, наприклад,
призми Рошона. Поляризаційно мультиплексування можливо тільки тоді,
коли в середовищі передачі відсутня оптична анізотропія, тобто волокно не повинно
мати локальних неоднорідностей і вигинів. Це одна з причин досить обмеження?? ного
застосування даного методу ущільнення. Зокрема, він застосовується в оптичних
ізоляторах, а також в оптичних волоконних підсилювачі, які використовуються
в пристроях накачування ербіевого волокна для складання випромінювання накачування двох
лазерів, випромінювання яких має виражену поляризацію у вигляді витягнутого еліпса
[3] .1.2.4. Многоволновое мультиплексування оптичних несучих (WDM) Рішення
завдання подальшого зростання пропускної спроможності ВОСП шляхом збільшення швидкості
передачі за допомогою TDM обмежується не тільки технологічними складнощами
при електронному тимчасове ущільненні, але і обмеженнями, викликаними тимчасової
(хроматичної) дисперсією оптичних імпульсів у процесі їх розповсюдження
в ОВ. Це наочно видно з зіставлення допустимих величин хроматичної дисперсії
для систем передачі STM-16 та STM-64 відповідно: 10500 пс/нм і 1600
пс/нм і поляризаційною модової дисперсії - 40 пс і 10 пс. Вказана вище завдання
успішно вирішується за допомогою оптичного мультиплексування з поділом по довжинах
хвиль - WDM (Wavelength Division Multiplexing). Суть цього методу полягає
в тому, що m інформаційних цифрових потоків, які переносяться кожен на своїй оптичної
що несе на довжині хвилі? m і рознесені в просторі, за допомогою спеціальних
пристроїв - оптичних мультиплексорів (ОМ) - об'єднуються в один оптичний
потік? 1 ..? m, після чого він вводиться в оптичне волокно. На приймальній стороні
проводиться зворотна операція демультиплексування. Орієнтовна структурна
схема такої системи з WDM представлена на рис. 1.1. Оптичні параметри систем
WDM регламентуються рекомендаціями, які визначають довжини хвиль і оптичні
частоти для кожного каналу. Згідно з цими рекомендаціями, многоволновие системи
передачі працюють в 3-му вікні прозорості ОВ, тобто в діапазоні довжин хвиль 1530-1565
нм. Для цього встановлено стандарт довжин хвиль, що представляє собою сітку
оптичних частот, в якій розписані регламентовані значення оптичних
частот в діапазоні 196,1-192,1 ТГц з інтервалами 100 ГГц і довжини хвиль - 1528,77-1560,61
нм з інтервалом 0,8 нм. Стандарт складається з 41 довжини хвилі, тобто розрахований
на 41 спектральний канал. Але на практиці використовується 39 каналів з представленої
сітки частот, оскільки два крайніх не використовуються, тому що вони знаходяться
на схилах частотної характеристики оптичних підсилювачів, які застосовуються в
системах WDM. Рис. 1.1. Найпростіша структурна схема системи передачі WDM. Останнім
час встановилася чітка тенденція зменшення частотного інтервалу між
спектральними каналами до 50 ГГц і навіть до 25 ГГц, що призводить до більш щільному
розташуванню спектральних каналів у відведеному діапазоні довжин хвиль (1530-1565
нм). Таке ущільнення отримало назву DWDM. Очевидно, що DWDM викликане прагненням
збільшити кількість переданих каналів. Відзначимо також, що в даний
час абревіатура DWDM закріпилася і для систем з многоволновим ущільненням,
у яких частотний інтервал між каналами дорівнює 100 ГГц. В даний час
в обладнанні систем зв'язку з DWDM, розрахованих для передачі до 32-х каналів,
ряд фірм застосовує довжину хвилі 1510 нм, а деякі - 1625 нм. Але зі збільшенням
кількості переданих каналів до 128 і більше виникає необхідність освоєння
більше довгохвильової частині оптичного спектру, зокрема L-діапазону (або
4-е вікно прозорості ОВ), до якого входитиме довжина хвилі 1625 нм. Створення
систем передачі DWDM потребувало розробки цілого ряду як активних, так і
пасивних квантових і оптичних елементів і пристроїв з високостабільним параметрами.
Сюди відносяться напівпровідникові лазери з вузькою спектральної шириною
лінії випромінювання (менше 0,05 нм) при стабільності не гірше ± 0,04 нм. Волоконно-оптичні
підсилювачі повинні мати стабільний коефіцієнт посилення, малу нерівномірність
коефіцієнта посилення, (n2. При попаданні світлового випромінювання на торець
ОВ в ньому можуть поширюватися три типи світлових променів, що називаються направляються,
наслідками, що випливають і випромінюваними променями, наявність і переважання будь-якого типу
променів визначається кутом їх падіння на границю розділу «серцевина - оболонка».
Ті промені, які падають на границю розділу під кутом (промені 1, 2 і 3), відображаються
від неї і знову повертаються в серцевину волокна, поширюючись в ній і не
зазнаючи заломлення. Так як траєкторії таких променів повністю розташовані
усередині середовища розповсюдження - серцевини волокна, вони поширюються на великі
відстані і називаються направляються. Промені, які падають на границю розділу під
кутами (промені 4), носять назву випливають променів (променів оболонки). Досягаючи
кордону «серцевина - оболонка», ці промені відбиваються і заломлюються, втрачаючи кожен
раз в оболонці волокна частина енергії, у зв'язку з чим зникають зовсім на деякій
відстані від торця волокна. Промені, які випромінюються з оболонки в навколишній
простір (промені 5), носять назву випромінюваних променів і виникають у місцях
нерегулярно або через скручування ОВ. Випромінюють і випливають промені є
паразитними і призводять до розсіювання енергії та спотворення інформаційного сигналу.
2.4. Моди, що розповсюджуються в оптичних хвилеводах У загальному випадку поширення
електромагнітних хвиль описується системою рівнянь Максвелла в диференціальної
формі: (2.4.1) де - щільність електричного заряду, і -
напруженості електричного і магнітного полів відповідно, - щільність струму,
і - електрична і магнітна індукції. Якщо уявити напруженість електричного
і магнітного поля і за допомогою перетворення Фур'є [5]:, (2.4.2)
то хвильові рівняння приймуть вигляд:, (2.4.3) де - оператор Лапласа. Світловод
можна уявити ідеальним циліндром з поздовжньої віссю z, осі х і у в поперечної
(ху) площини утворюють горизонтальну (xz) і вертикальну (xz) площині.
У цій системі існують 4 класу хвиль (Е і Н ортогональні): поперечні Т:
Ez = Нz = 0; Е = Еy; Н = Нx; електричні Е: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy, Еz) -
поширюються у площині (yz); Н = Нx; магнітні Н: Нz = 0, Еz = 0; Н = (Нx
, Нz) - поширюються в площині (xz), E = Ez; змішані ЄП або НЕ: Еz =
0, Нz = 0; Е = (Еy, Еz), Н = (Нx, Нz) - поширюються в площинах (xz) і
(yz). При рішенні системи рівнянь Максвелла зручніше використовувати циліндричні
координати (z, r,?), при цьому рішення шукається у вигляді хвиль з компонентами Ez
, Нz виду:, 2.4.4) де і - нормуються постійні, - шукана функція, - поздовжній
коефіцієнт поширення хвилі. Рішення для виходять у вигляді наборів
з m (з'являються цілі індекси m) простих функцій Бесселя для серцевини і модифікованих
функцій Ханкеля для оболонки, де і - поперечні коефіцієнти поширення
в серцевині і оболонці відповідно, - хвильове число. Параметр
визначається як рішення характеристичного рівняння, що отримується з граничних
умов, що вимагають безперервності тангенціальних складових компонент Ez
і Нz електромагнітного поля на межі розділу серцевини й оболонки. Характеристичне
рівняння, в свою чергу, дає набір з n рішень (з'являються цілі
індекси n) для кожного цілого m, тобто маємо власних значень, кожному з яких
відповідає певний тип хвилі, званий модою. В результаті формується
набір мод, перебір яких заснований на використанні подвійних індексів.
Умовою існування направляється моди є експоненційний спадання її поля
в оболонці вздовж координати r, що визначається значенням поперечного коефіцієнта
розповсюдження в оболонці. При = 0 встановлюється критичний режим,
що полягає у неможливості існування направляється моди, що відповідає
[5]:. (2.4.5) Останнє рівняння має безліч рішень
[5]: (2.4.6) Введемо величину, яка називається нормованої частотою V, яка пов'язує
структурні параметри ОВ і довжину світлової хвилі, і яка визначається наступним
виразом:, (2.4.7) При = 0 для кожного з рішень рівняння (2.4.5)
має місце критичне значення нормованої частоти (m = 1, 2, 3 ..., n = 0, 1,
2, 3 ...): і т.д. Для моди HE11 критичне значення нормованої частоти. Ця
мода поширюється при будь-якій частоті і структурних параметрах волокна і є
фундаментальної модою ступеневої ОВ. Вибираючи параметри ОВ можна домогтися
режиму розповсюдження тільки цієї моди, що здійснюється за умови: (2.4.8)
Мінімальна довжина хвилі, при якій в ОВ поширюється фундаментальна
мода, називається волоконної довжиною хвилі відсічення. Значення визначається з
останнього вирази як: (2.4.9) 2.5. Одномодові оптичні волокна одномодові
волокна підрозділяються на ступінчасті одномодові волокна (step index
single mode fiber) або стандартні волокна SF (standard fiber), на волокна з
зміщеної дисперсією DSF (dispersion-shifted single mode fiber), і на волокна з
ненульовий зміщеної дисперсією NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode
fiber). У ступінчастому одномодовим оптичному волокні (SF) (рис. 2.3) діаметр светонесущей
жили становить 8-10 мкм і порівняємо з довжиною світлової хвилі. У такому
волокні при досить великій довжині хвилі світла? >? CF (? CF - довжина хвилі відсічення)
поширюється тільки один промінь (одна мода). Одномодовий режим в оптичному
волокні реалізується у вікнах прозорості 1310 нм і 1550 нм. Поширення
тільки однієї моди усуває межмодовую дисперсію і забезпечує дуже високу
пропускну здатність одномодового волокна в цих вікнах прозорості. Найкращий
режим розповсюдження з точки зору дисперсії досягається в околиці довжини
хвилі 1310 нм, коли хроматична дисперсія звертається в нуль. З точки зору
втрат це не найкраще вікно прозорості. У цьому вікні втрати складають 0,3
- 0,4 дБ/км, в той час як найменше загасання 0,20 - 0,25 дБ/км досягається
у вікні 1550 нм. Рис. 2.3. Профілі показника заломлення У одномодовим оптичному
волокні зі зміщеною дисперсією (DSF) (рис. 2.3) довжина хвилі, на якій
дисперсія впаде до нуля, - довжина хвилі нульової дисперсії? 0 - зміщена у вікно
прозорості 1550 нм. Таке зміщення досягається завдяки спеціальному профілю
показника заломлення волокна. Таким чином, у волокні зі зміщеною дисперсією
реалізуються найкращі характеристики, як по мінімуму дисперсії, так і по
мінімуму втрат. Тому таке волокно краще підходить для будівництва протяжних
сегментів з відстанню між ретрансляторами до 100 і більше км. Зрозуміло,
єдина робоча довжина хвилі береться близькою до: 1550 нм. Одномодове оптичне
волокно з ненульовою зміщеної дисперсією NZDSF на відміну від DSF оптимізовано
для передачі не однієї довжини хвилі, а відразу декількох довжин хвиль (мультиплексного
хвильового сигналу) і найбільш ефективно може використовуватися при побудові
магістралей «повністю оптичних мереж» - мереж, на вузлах яких не відбувається
оптоелектронної перетворення при поширенні оптичного сигналу.
Оптимізація трьох перерахованих типів одномодових ОВ зовсім не означає,
що вони завжди повинні використовуватися виключно під певні завдання: SF
- Передача сигналу на довжині хвилі 1310 нм, DSF - передача сигналу на довжині хвилі
1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигналу у вікні 1530-1560 нм. Так,
наприклад, мультиплексний сигнал у вікні 1530-1560 нм можна передавати і за стандартним
ступінчастому одномодовому волокну SF [5]. Однак довжина безретрансляціонного
ділянки при використанні волокна SF буде менше, ніж при використанні NZDSF,
чи інакше буде потрібно дуже вузька смуга спектрального випромінювання лазерних
передавачів для зменшення результуючої хроматичної дисперсії. Максимальне
допустима відстань визначається технічними характеристиками як самого
волокна (загасанням, дисперсією), так і приймально-передавального обладнання (потужністю,
частотою, спектральним розширенням випромінювання передавача, чутливістю приймача).
У ВОЛЗ найбільш широко використовуються наступні стандарти волокон: - багатомодове
градієнтне волокно 50/125; - багатомодове градієнтне волокно 62,5/125; -
одномодове ступеневу волокно SF (волокно з незміщене дисперсією або стандартне
волокно) 8-10/125; - одномодове волокно зі зміщеною дисперсією DSF
8-10/125; - одномодове волокно з ненульовою зміщеної дисперсією NZDSF (за профілем
показника заломлення це волокно схоже з попереднім типом волокна). 2.6. Константа
розповсюдження і фазова швидкість Хвильове число k можна розглядати
як вектор, напрямок якого збігається з напрямком поширення світла
в об'ємних середовищах. Цей вектор називається хвильовим вектором. У середовищі з показником
заломлення величина хвильового вектора дорівнює. У разі поширення
світла всередині хвилеводу напрямок поширення світла збігається з напрямком
проекції? хвильового вектора k, на вісь хвилеводу: (2.6.1) де - кут,
доповнює кут i до 90 (або кут між променем і віссю, як показано на рис. 2.4),
? називається константою розповсюдження і відіграє таку ж роль в хвилеводі як
хвильове число k у вільному просторі [6]. Оскільки , То відповідно до (ф.
2.6.1) і i залежать від довжини хвилі. Рис. 2.4. Хвильовий вектор і константа поширення
Кут падіння змінюється між і?/2. Отже: (2.6.2)
Таким чином, величина константи розповсюдження всередині хвилеводу завжди лежить
між значеннями хвильових чисел плоскої світлової хвилі в матеріалі серцевини і
оболонки. Якщо врахувати, що, то можна переписати це співвідношення мовою фазових
швидкостей: (2.6.3) Фазові швидкості розповсюдження мод укладені між
фазовими швидкостями хвиль у двох об'ємних матеріалах. Швидкість поширення
світлового сигналу або групова швидкість - це швидкість розповсюдження огинаючої
світлового імпульсу. У загальному випадку групова швидкість u не дорівнює фазової
швидкості. Різниця фазових швидкостей мод призводить до спотворення вхідного пучка світла
в міру його розповсюдження у волокні. У волокні з параболічних градієнтним
показником заломлення похилі промені поширюються по криволінійної траєкторії,
яка, природно, довше, ніж шлях поширення аксіального променя.
Однак через зменшення показника заломлення в міру віддалення від осі волокна,
швидкість поширення складових світлового сигналу при наближенні до
оболонці оптичного волокна зростає, так що в результаті цього час розповсюдження
складових по ОВ виявляється приблизно однаковим. Таким чином, дисперсія
або зміна часу поширення різних мод, зводиться до мінімуму,
а ширина смуги пропускання волокна збільшується. Точний розрахунок показує,
що розкид групових швидкостей різних мод у такому волокні істотно менше,
ніж у волокні зі ступінчастим профілем показника заломлення. Оптичні волокна,
які можуть підтримувати поширення тільки моди найнижчого порядку,
називаються одномодовим. Таким чином, кожна мода, що розповсюджується
в ОВ, характеризується постійним по довжині світловода розподілом інтенсивності
в поперечному перерізі, постійної розповсюдження?, а також фазової v і групової
u швидкостями розповсюдження вздовж оптичної осі, які різні для різних
мод. Через розходження фазових швидкостей мод хвильовий фронт та розподіл
поля в поперечному перерізі змінюються уздовж осі волокна. Через відмінності групових
швидкостей мод світлові імпульси розширюються, і це явище називається межмодовой
дисперсією. У одномодовим волокні існує тільки одна мода розповсюдження,
тому таке волокно характеризується постійним розподілом поля в поперечному
перетині, в ньому відсутня межмодовая дисперсія, і воно може передавати
випромінювання з дуже широкою смугою модуляції, обмеженої тільки іншими видами
дисперсії (див. п. 3.2). Глава 3. Процеси, що відбуваються в оптичному волокні,
та їх вплив на швидкість і дальність передачі інформації 3.1. Загасання оптичного
волокна У міру поширення світла в оптичному середовищі він слабшає, що
носить назву загасання середовища - загасання ОВ. Загасання залежить від довжини хвилі
випромінювання, що вводиться в воло?? але. В даний час передача сигналів по волокну
здійснюється в трьох діапазонах: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм, тому що саме в
цих діапазонах кварц має підвищену прозорість. Загасання (рис. 3.1) зазвичай
вимірюється в дБ/км і визначається втратами на поглинання і на розсіяння випромінювання
в оптичному волокні [5]: - Релеєвське розсіювання; - розсіювання на дефектах волокна; -
власне поглинання кварцового скла; - домішкові поглинання; - поглинання
на мікро та макроізгібах. Рис. 3.1. Загасання. Ступінь втрат визначається
коефіцієнтом загасання, який в загальному вигляді дорівнює: (3.1.1) де - коефіцієнт
загасання, обумовлений втратами на поглинання світлової енергії. Власне
поглинання кварцового скла визначається поглинанням фотонів при якому
енергія фотона переходить в енергію електронів або в коливальну енергію решітки.
Спектр власного електронного поглинання кварцового скла лежить в ультрафіолетовій
області (7 мкм). Оскільки структура кварцового скла аморфна,
смуги поглинання мають розмиті межі, а їх «хвости» заходять у видиму область
спектру. У другому і третьому вікнах прозорості в ді8 =] апазоне довжин хвиль 1,3-1,6
мкм втрати, викликані власним поглинанням, мають порядок 0,03 дБ/км.
- Коефіцієнт загасання, обумовлений Релеєвське розсіюванням на неоднорідностях
матеріалу ОВ, розміри яких значно менше довжини світлової хвилі, і тепловими
флуктуаціями показника заломлення. Цей вид розсіювання визначає теоретичну
кордон, нижче якої загасання не може бути зменшено і в сучасних
ОВ є основним джерелом втрат в робочих областях спектру. Релеєвське
розсіяння викликається розсіюванням на неоднорідностях показника заломлення, що виникли
в розплавленому кварці у зв'язку з локальними термодинамічними флуктуаціями
концентрації молекул (щільності) кварцу з-за їх хаотичного руху в розплавленому
стані. При затвердінні волокна неоднорідності, що виникли в розплавленої
фазі, застигають у структурі кварцового скла. Коливання щільності призводять
до випадкових флуктуацій показника заломлення в масштабі, меншому, ніж
довжина світлової хвилі. - Коефіцієнт загасання, викликаний присутніми в ОВ
домішками, що призводять до додаткового поглинання оптичної потужності, це іони />
0,6-1,6 мкм, і гідроксильні групи (ОН), через які з'являються резонансні
сплески загасання на довжині хвилі 0,75 мкм, 0, 97 мкм і 1,39 мкм. - Додаткові
втрати, обумовлені деформацією ОВ в процесі виготовлення кабел, викликаної
скручуванням, вигином, відхиленням від прямолінійного розташування і термомеханічних
впливами, що мають місце при накладенні оболонок і покриттів на серцевину
волокна при виготовленні ОК (їх називають кабельними). - Коефіцієнт загасання,
залежить від довжини хвилі оптичного випромінювання і за рахунок поглинений