WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

Содержание Предисловие к русскому изданию Предисловие автора Глава 1 Введение в передачу сигнала по оптическому волокну 1.1. Требования к полосе пропускания 1.2. Модель волоконно-оптической системы

передачи 1.2.1. Диапазоны длин волн, используемые для передачи сигнала по оптоволокну 1.3. Волоконно-оптический световод как среда передачи 1.3.1. Конструкция световода 1.3.2. Как свет распространяется по волоконно-оптическому световоду Глава 2 Волоконно-оптический кабель 2.1. Типы оптических волокон 2.1.1. Определение диаметра сердцевины 2.1.2. Три типа оптических волокон 2.2. Распространение различных мод по оптоволокну 2.3. Микроизгибы и макроизгибы 2.4. Конструкция кабеля 2.4.1. Диаметр оптоволокна 2.4.2. Плотное буферное покрытие или свободная буферная трубка 2.4.3. Силовые элементы 2.5. Характеристики оптического волокна 2.5.1. Оптические характеристики 2.5.2. Механические характеристики 2.5.3. Волоконно-оптические модули 2.6. Волокно с выровненным или с профильным показателем преломления оболочки 2.7. Типичные характеристики оптического волокна высокого качества Глава 3 Оптические разъемы, сростки и пассивные оптические устройства 3.1. Введение 3.2. Основные определения 3.2.1. Элемент, ответвляющий поток (неселективный по отношению к длине волны) 3.2.2. Оптический разветвитель (сплиттер — комбайнер) 3.2.3. Аттенюатор 3.2.4. Волоконно-оптический фильтр 3.2.5. Волоконно-оптический изолятор 3.2.6. Волоконно-оптический терминатор 3.2.7. Волоконно-оптический переключатель (коммутатор) 3.2.8. Пассивный компенсатор (хроматической) дисперсии 3.2.9. Волоконно-оптический соединитель (оптический разъем) 3.2.10. Сращивание оптических волокон 3.3. Определение функциональных параметров (За основу взят стандарт 1TU-TG.671, Раздел 3.2) 3.3.1. Вносимые потери (IL) 3.3.2. Возвратные потери (RL) 3.3.3. Отражательная способность 3.3.4. Предварительное обсуждение направленности, возвратных потерь и отражательной способности 3.3.5. Рабочий диапазон длин волн 3.3.6. Потери, зависящие от поляризации (PDL) 3.3.7. Зависимость отражательной способности от поляризации 3.3.8. Обратные потери (степень изоляции) волоконно оптических изоляторов 3.3.9. Направленность 3.3.10. Однородность 3.3.11. Оптический порт 3.3.12. Матрица передачи волоконно-оптических устройств ветвления и WDM-устройств 3.3.13. Коэффициент передачи волоконно-оптических устройств ветвления и WDM-устройств 3.3.14. Логарифмический коэффициент матрицы передачи волоконно-оптических устройств ветвления и WDM-устройств 3.3.15. Матрица передачи волоконно-оптических коммутаторов 3.3.16. Коэффициенты передачи волоконно-оптических коммутаторов 3.3.17. Логарифмическая матрица передачи волоконно оптических коммутаторов 3.3.18. Избыточные потери волоконно-оптических устройств ветвления 3.3.19. Коэффициент связи 3.3.20. Рабочая длина волны 3.3.21. Матрица времен переключений волоконно-оптического коммутатора 3.4. Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон 3.4.1. Оптические разъемы 3.4.2. Неразъемное соединение волокон 3.5. Волоконно-оптические элементы ветвления потока, или разветвители 3.5.1. Введение 3.5.2. Концепции разветвителей/элементов ветвления 3.5.3. Рабочие параметры разветвителей/элементов ветвления 3.5.4. Основные определения разветвителей/элементов ветвления 3.5.5. Звездообразные и направленные разветвители/элементы ветвления — дополнительное обсуждение 3.6. Оптические аттенюаторы 3.6.1. Основные рабочие параметры аттенюаторов 3.7. Изоляторы 3.8. Волоконно-оптические фильтры 3.9. Оптические кроссы, коммутационные панели и оптические коммутаторы Глава 4 Источники света 4.1. Введение 4.2. Светоизлучающие диоды 4.3. Лазерные диоды 4.3.1. Многомодовые(МЬМ) лазеры, или лазеры с резонаторами Фабри—Перо 4.3.2. Одномодовые (SLM) лазеры 4.3.3. Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (DFB) 4.3.4. DFB-лазеры с внешним модулятором 4.3.5. Лазер с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL) 4.4. Частотно-модулированный импульс (чирп) 4.4.1. Понятие ЧМ импульса 4.4.2. Подробное обсуждение ЧМ сдвига 4.4.3. Параметры импульсов, характеризующие эффект ЧМ сдвига 4.5. Потери мощности 4.6. Основные параметры промышленных источников светового излучения 4.6.1. Светоизлучающие диоды (СИД) 4.6.2. Лазерные диоды (ЛД) 4.6.3. Сравнение характеристик СИД с характеристиками некоторых типов лазерных диодов 4.6.4. Рабочие характеристики некоторых промышленных лазерных диодов 4.7. Настраиваемые лазеры 4.7.1. Настраиваемый DFB-лазер 4.7.2. Лазер с распределенным брэгговским отражателем (DBR) 4.7.3. DBR-лазеры с выбранными решетками (SG-DBR) 4.7.4. VCSEL-лазеры 4.7.5. Лазеры с внешней резонаторной полостью 4.8. Модулированные импульсные последовательности Глава 5 Детекторы светового излучения 5.1. Введение 5.2. Определения 5.3. Необходимые соотношения 5.4. PIN-фотодиоды 5.4.1. Конструкция детектора на основе кремниевого фотодиода 5.4.2. Обзор фотодиодных детекторов на основе InGaAs 5.4.3. Лавинные фотодиоды (APD) 5.4.4. Применение APD 5.5. Оптические приемники 5.5.1. Электрические усилители, выход приемника 5.5.2. Глазковая диаграмма 5.5.3. Уровень принятого сигнала и BER 5.6. Замечания по применению детекторов Глава 6 Ухудшение передачи света 6.1. Введение 6.2. Потери или ослабление сигнала в оптическом волокне 6.2.1. Собственные внутренние потери 6.2.2. Потери от наличия примеси (внешние потери поглощения) 6.2.3. Рэлеевское рассеяние 6.2.4. Несовершенство оптического волокна (ОВ) 6.3. Дисперсия 6.3.1. Межмодовая дисперсия 6.3.2. Материальная дисперсия 6.3.3. Хроматическая дисперсия 6.3.4. Поляризационная модовая дисперсия (PMD) 6.3.5. Компенсация дисперсии 6.4. Нелинейные эффекты 6.4.1. Введение в оптические нелинейности 6.4.2. Вынужденное рассеяние Бриллюэна 6.4.3. Вынужденное рассеяние Рамана 6.4.4. Фазовая самомодуляция 6.4.5. Четырехволновое смешение 6.4.6. Модуляционная неустойчивость 6.4.7. Формирование солитонов 6.4.8. Фазовая кросс-модуляция 6.5. Поляризационные свойства 6.5.1. Поляризационная модовая дисперсия (PMD) 6.5.2. Потери, обусловленные поляризацией 6.5.3. Поляризационный провал усиления 6.6. Другие типы ухудшений системы передачи 6.6.1. Накопленный шум, связанный с оптическим усилением 6.6.2. Эффект самофильтрации 6.7. Выбор оптических фильтров по их дисперсионным характеристикам 6.7.1. Характерные параметры одномодового ОВ, соответствующего стандарту ITU-T G. 6.7.2. Характерные параметры одномодового ОВ с сдвигом нулевой дисперсии, соответствующего стандарту ITU-T G. 6.7.3. Характеристики одномодового ОВ со сдвигом волны отсечки, соответствующего стандарту ITU-T G. 6.7.4. Характерные параметры одномодового ОВ с ненулевой смещенной дисперсией, соответствующего стандарту ITU-T G. Глава 7 Регенераторы и волоконно-оптические усилители 7.1. Введение 7.2. Применение регенераторов в оптических системах 7.2.1. Регенераторы в сетях SONET 7.3. Волоконно-оптические усилители 7.3.1. Типы волоконно-оптических усилителей 7.3.1.1. Усилители на лазерных диодах 7.4. Критические рабочие параметры усилителей типа EDFA 7.4.1. Усиление и выходная характеристика 7.4.2. Усиленная спонтанная эмиссия (ASE) 7.5. Рамановские усилители Глава 8 Мультиплексирование с разделением подлине волны 8.1. Возрастай истребований на пропускную способность ВОСП 8.2. Основы WDM-систем 8.3. Интерферометр Фабри—Перо 8.4. Фильтры Маха—Цендера 8.5. Решетки Брэгга и волоконно-оптические решетки Брэгга (FBG) 8.5.1. Некоторые характерные применения FBG 8.6. Фильтры на тонких пленках 8.6.1. Оптические фильтры — подведение итогов 8.7. Дифракционная решетка на массиве волноводов 8.8. Прямая и обратная операции интерливинга 8.9. Рекомендации ITU-T (МСЭ) по назначению длин волн, используемых в системах WDM 8.9.1. Выбор минимального шага и стандартных несущих частотного плана систем WDM 8.10. Типичные характеристики систем WDM Глава 9 Синхронные оптические сети SONET и синхронная цифровая иерархия SDH 9.1. Введение 9.2. Синхронные оптические сети (SONET) 9.2.1. Структура синхронных сигналов 9.2.2. Указатель полезной нагрузки 9.2.3. Три уровня заголовков SONET 9.2.4. Процесс сборки/разборки SPE 9.2.5. Мультиплексирование ввода-вывода (ADM) 9.2.6. Автоматическое защитное переключение (APS) 9.2.7. Кольцевая архитектура SONET 9.3. Синхронная цифровая иерархия SDH 9.3.1. Введение 9.3.2. Стандартные скорости передачи SDH 9.3.3. Определения 9.3.4. Основная схема мультиплексирования SDH 9.3.5. Структура фрейма для интерфейса 51,84 Мбит/с 9.3.6. Методы мультиплексирования SDH 9.3.7. Указатели 9.4. Заключение Глава 10 Соединение оптических систем на инженерном уровне 10.1. Понятие бюджета линии связи 10.2. Расчетные допуски для линии связи 10.2.1. Таблицы контроля 10.2.2. Практические таблицы ITU-T (МСЭ) 10.3. Бюджет линии связи: примеры 10.3.1. Общие правила 10.3.2. Пример 10.3.3. Пример 10.3.4. Пример 10.3.5. Пример 10.4. Полоса пропускания линии связи, время нарастания фронтов, накопленная дисперсия 10.4.1. Бюджет времени нарастания 10.5. Определение уровней оптической мощности 10.5.1. Уровень мощности канала 10.5.2. Максимальная полная мощность Глава 11 Наружная прокладка ВОЛС 11.1. Введение 11.2. Прокладка кабеля в грунт 11.2.1. Стандарты маркировки наружной кабельной прокладки 11.2.2. Глубина прокладки 11.2.3. Маркировка на трассе 11.2.4. Вертикальные опоры 11.2.5. Устройство вводов 11.2.6. Прокладка кабеля через водные преграды 11.2.7. Пересечение железных дорог 11.2.8. Прокладка по мостовым переходам 11.2.9. Пересечение автомагистралей 11.2.10. Экскаваторные работы и повреждения 11.2.11. Восстановление повреждений 11.3. Планирование трассы и прокладка ВОЛС 11.3.1. Волоконно-оптические кабели 11.3.2. Планирование трассы прокладки 11.3.3. Особенности прокладки кабеля 11.4. Измерения при внешней кабельной прокладке и приемо сдаточные испытания 11.4.1. Полное затухание 11.4.2. Дисперсия 11.4.3. Тестирование показателей ошибок 11.5. Подводные кабельные системы 11.5.1. Меры по улучшению доступности Глава 12 Доступность и безотказность систем 12.1. Важность показателей доступности и безотказности 12.1.1. Определения доступности и безотказности 12.1.2. Безотказность и форс-мажорные обстоятельства 12.1.3. Определение отказа канала 12.1.4. Показатели доступности короткой секции (Telcordia) 12.1.5. Ссылки на стандарты по надежности электронного оборудования и систем 12.1.6. Основные требования для систем передачи (TSGR):

оценка надежности оборудования 12.2. Взаимосвязь показателей надежности 12.3. Вычисление доступности системы 12.3.1. Доступность и недоступность 12.4. Сетевая архитектура и безотказность 12.4.1. Автоматическое защитное переключение (APS) 12.4.2. Активирование переключения 12.4.3. Восстановление 12.4.4. Надежность и доступность защитного переключения 12.4.5. Варианты защиты линейных сегментов 12.4.6. Самовосстанавливающееся кольцо (SHR) SONET 12.4.7. Конфигурация кольца 12.5. Центр управления работой сети (NOCC) 12.5.1. Доставка информации о статусе и показателях ошибок в NOCC 12.5.2. Язык TLI 12.6. Показатели ошибок и сообщения об аварийных ситуациях в SONET 12.6.1. Структура заголовков по их уровням 12.6.2. Мониторинг показателей ошибок 12.6.3. Сигналы, используемые для обслуживания системы 12.6.4. Каналы инженерной связи 12.6.5. Каналы пользователей 12.6.6. Каналы передачи данных (DCC) 12.7. Минимизация необходимых запасных узлов Глава 13 Варианты сетевого питания для улучшения доступности системы 13.1. Бесперебойное питание 13.2. Кинетические системы с маховиком 13.3. Обычные статические системы бесперебойного питания 13.3.1. Классификация обычных статических систем бесперебойного питания 13.3.2. Указания по использованию вторичных элементов 13.3.3. Перезарядка/выравнивание заряда 13.3.4. Емкость батареи 13.4. Питание удаленных пунктов 13.4.1. Газотурбинные генераторы питания 13.4.2. Топливо сберегающая альтернатива Глава 14 Гибридные системы, использующие медные жилы и оптоволокно 14.1. Введение 14.2. Основные сведения 14.2.1. Логическое обоснование 14.3. Использование передачи КТВ по волоконно-оптическому пролету КТВ магистрали 14.3.1. Передача AM сигнала КТВ по волоконно-оптическому пролету 14.3.2. Комментарии и обсуждение бюджета мощности волоконно оптического линии 14.4. Установка волоконно-оптического оборудования как можно ближе к ТВ приемнику пользователя 14.5. Двунаправленная схема КТВ 14.5.1. Назначение сегментов спектра КТВ для обратного трафика Глава 15 Внутриобъектная кабельная прокладка с использованием волоконной оптики 15.1. Введение 15.2. Диапазон используемых приложений 15.2.1. Создание вертикальной (магистральной) и горизонтальной кабельной прокладки 15.3. Топология сети 15.3.1. Кампусная магистральная сеть 15.4. Замечания по поводу прокладки волоконно-оптического кабеля 15.4.1. Оптические разъемы, рекомендуемые для использования при прокладке волоконно-оптического кабеля в здании 15.4.2. Практика кабельной прокладки — учет полярности 15.5. Выбор кабеля и его использование 15.6. Тестирование эксплуатационных характеристик корпоративной сети 15.6.1. К вопросу о показателях корпоративной сети 15.6.2. Подготовка плана и методология тестирования Глава 16 Средства, используемые для поиска неисправности сети 16.1. Сценарий 16.2. Оборудование для тестирования 16.3. Процедуры тестирования, использующие измерители оптической мощности 16.3.1. Измерение обрывов оптоволокна в ВОК, используя измерители оптической мощности 16.4. Введение в оптическую рефлектометрию во временной области (OTDR) 16.5. Тестирование BER и другие процедуры тестирования ошибок 16.5.1. Понятие BERT 16.6. Оптические спектроанализаторы (OSA) 16.7. Анализаторы световых сигналов 16.8. Оптические каналы супервизорного контроля Глава 17 Функционирование оптической сети 17.1. Введение 17.2. Требования новых оптических технологий 17.3. Распределенная коммутация 17.4. Оверлейные сети 17.4.1. Появление двухуровневых сетей 17.5. Оптическая коммутация 17.5.1. Коммутация с помощью MEMS 17.6. Практические оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM) 17.6.1. OADM и ОХС улучшают доступность и безотказность системы 17.7. Совершенствование управления новой сетевой архитектурой 17.8. Полностью оптические кросс-коммутаторы 17.9. Варианты сигнализации для оптического уровня 17.10. Четыре класса оптических сетей 17.10.1. Общие типы сетей 17.11. Обзор многопротокольной коммутации с использованием меток (MPLS) 17.11.1. Введение 17.11.2. Основные термины технологии MPLS 17.11.3. Архитектура MPLS-сетей 17.12. Заключение Список литературы Список литературы на русском языке, добавленный редактором перевода Предисловие к русскому изданию Оптическое волокно и волоконная оптическая техника играют в современной связи определяющее значение, первое — как среда для оптической цифровой передачи, вторая — как набор средств, дающих возможность осуществления такой передачи. Технологии, используемые этими средствами, могут быть, в принципе, различны, но должны быть транспортными. К таким в настоящее время относят: ATM, IP, ISDN, PDH, SDH/SONET и WDM.

Инженерам-проектировщикам, разрабатывающим проекты современных волоконно-оптических линий связи, нужно обладать большой совокупностью знаний, чтобы уметь грамотно выбрать соответствующий тип кабеля, технологию передачи, а затем оборудование. После чего, они должны убедиться, что разработанная ими система передачи не только работает и стыкуется на уровне стандартных интерфейсов с окружающими ее сетями, но и гарантированно обеспечит заложенный ими (часто под давлением заказчи ка) показатель доступности. Не говоря явно, я, конечно, полагал, что выбор проектировщиков будет в пользу волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), максимально демонстрирующих современный уровень внедрения оптических технологий в цифровые сети связи, а в качестве технологий ВОСП, так или иначе, будет фигурировать тройка: IP-SDH-WDM.

К сожалению, упомянутую выше «совокупность знаний» проектировщикам будет трудно почерпнуть, если ориентироваться на отечественный книжный рынок. Несмотря на то, что на нем за последнее время появилось много интересных книг (см. Список книг на русском языке в конце книги), большинство из них посвящены волокнам и кабелям [А-10 — А-14], или кабельным системам [А-15 - А-17]. Что касается техники, то на нашем рынке читатель найдет лишь несколько серьезных книг по современным технологиям ВОСП [А-4, А-8, А-21, А-25], которые, к сожалению, покрывают только отдельные фрагменты требуемого и, конечно, не смогут удовлетворить проектировщиков в целом. Поэтому появление любой приличной книги, покрывающей бреши современного «лоскутного» книжного одеяла, с моей точки зрения, можно только приветствовать. В этой ситуации, я и принял предложение о переводе книги Р.Фримана, поступившее мне от издательской группы «Техносфера».

Книга Фримана для русского читателя — это первое серьезное введение в ВОСП, охватывающее все стороны вопроса: от волокна, кабеля и их характеристик, через используемые технологии оптических сетей с их проблемами, до систем бесперебойного питания, обеспечивающих надежное функционирование ВОСП. По широте охвата и освещения вопросов проектирования - это вообще первая книга по ВОСП подобного рода на русском языке. Она удачно дополняет материал книги [А-21], покрывая вопросы выбора пассивных оптических элементов, прокладки кабеля, маршрутизации и защиты трафика, систем бесперебойного питания, расчета показателей производительности и доступности сети. Помимо этого, в ней рассмотрены оптические сети кабельного телевидения. По уровню охвата ей можно будет противопоставить только второе издание книги [А-4], которое должно появиться в начале следующего года.

Книга Фримана — это «не простой подарок» переводчику и читателю.

Она написана неровно, с разным уровнем и глубиной изложения для разных разделов. Изобилует длинными предложениями, повторами, а иногда и трудно понимаемыми мыслями и сравнениями. Однако ее широта охвата и большой объем труднодоступного нам фактического материала, как мне ка жется, покрывает все эти недостатки.

Как переводчик, я переводил максимально близко к авторскому тексту, стараясь сохранить стиль автора. Как редактор, я пытался сглаживать углы не только перевода, но и авторского текста, и кое-что поправлял или разъяснял, пытаясь сделать текст более понятным (разъяснения даны в скобках со звездочкой и встроены в текст). Для русского издания мною составлен спи сок книг на русском языке по оптоволоконной технике и технологии, по явившихся за последние 10 лет на наших прилавках (не думаю, что я пропу стил что-то существенное).

В заключение, хочу выразить свою благодарность профессору МТУСИ Соколову С.А. и гл. инженеру компании «Волоконная оптическая техника» Комарову М.Ю. за помощь в редактировании гл. 11 «Наружная прокладка ВОЛС», ее стиль и терминология от этого, думаю, только выиграли.

Желаю всем читателям, как специалистам в области связи, так и, особенно, студентам, аспирантам и просто интересующимся, вдумчивого чтения и последующего углубления знаний по отдельным вопросам с использованием первоисточников или других доступных книг, включая и те, что указаны дополнительно.

Николай Слепов, октябрь 2003г.

Предисловие автора Волоконная оптика прошла большой путь за последние 20 лет. Она была выбрана в качестве среды передачи наземных систем связи. На семинарах по телекоммуникациям я, обычно, говорю своим слушателям, что оптическое волокно имеет бесконечную полосу пропускания, независимо от того, какие бы намерения и цели не ставились. Конечно, это не так, но для тех, кто пришел к волокну из области беспроводной связи и радиосвязи, это так и есть. Фактически, весь используемый радиоспектр может быть размещен в спектре, передаваемом по одному волокну, и при этом останется очень много свободной полосы.

Требования к полосе пропускания удваиваются каждые три года (см.

замечание в гл.17). Только оптоволокно может удовлетворить транспортировке требуемой полосы. Количество оптоволокна, которое собираются уложить в землю и под воду поистине захватывающее.

Инженеры проектировщики оптоволоконных систем должны спроектировать и установить огромное количество волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) сейчас, и в ближайшем будущем. Будучи установлена, ВОСП требует обслуживания, как и другие системы.

Эта книга адресована сетевым архитекторам, инженерам и специалис там, кто планирует, устанавливает и эксплуатирует ВОСП. В первых главах читателям дается достаточно много общей оптоволоконной теории, чтобы дать возможность в последующих главах сконцентрироваться на практичес ких вопросах. Хороший четырехлетний курс математики высшей школы дает, конечно, прекрасный базис для освоения того материала, что приводится в тексте. Здесь не требуется ничего специального, кроме алгебры, планиметрии и логарифмов. Знания в объеме семестрового курса физики (раздел оптики) будут полезны, но и их отсутствие не будет большим препятствием.

Книга хорошо документирована. Везде, где нужно, даны ссылки.

Многие из цитируемых источников очень хорошо знакомы, например, такие, как компания Telcordia с ее прекрасными документами — стандартами EIA/TIA и документами по тестированию, или документация секции ITU-T, в частности, ее серии стандартов G.600 и G.900. Мне также удалось получить консультации в промышленности. В списке тех, кто помог мне консульта циями, такие компании, как: Alcatel, Releigh, Times Fiber and Cable, Corning Cable Systems, Belden и AMP.

В тексте вы также найдете практические примеры. Линии связи относятся к двум классам: линии с ограниченными потерями и линии с ограниченной дисперсией. Описывая эти классы, я старался показать, как лучше всего уменьшить потери линии или, как преодолеть влияние дисперсии на цифровой сигнал. Это дает путь к пониманию того, как лучше всего проектировать линию, чтобы минимизировать влияние этих двух факторов ухудшения показателей ВОСП.

Я участвовал в нескольких проектах по созданию крупных оптоволоконных систем в качестве консультанта. Каждый из проектов многому меня научил. Первое из усвоенного - доступность системы. Я сосредоточился на ней и рассматривал это понятие под разными углами зрения. Могут ли форс-мажорные обстоятельства играть против нас? Мы обманываем самих себя и наших клиентов, если мы не принимаем во внимание возможности появления таких обстоятельств.

Во время практических упражнений по вычислению доступности, как с теоретической, так и с практической точек зрения, я уяснил важность под держания и непрерывного снабжения системы питанием, как постоянным - 48 В, так и переменным - 120/240 В. Учитывая их важность и влияние на доступность, я решил включить в книгу главу о бесперебойном питании. В ней была рассмотрена необходимость использования дистанционного пита ния там, где нет возможности использовать коммерческие источники пита ния. Нами было подчеркнуто, что применение газотурбинного генератора может быть одним из наиболее эффективных альтернатив при таком использовании.

Целая глава посвящена технологии DWDM (плотному мультиплексированию с разделением по длине волны) - одной из наиболее важных технологий увеличения емкости существующих мультиплексоров.

Наиболее важный вопрос здесь - минимальный шаг между несущими. Во время написания этой книги развитие остановились на возможности использовать 160 несущих на одно волокно.

Обсуждениями вопросов ухудшения передачи света пронизан весть текст. Эта группа вопросов все еще так важна, что в книге наиболее интересным из них посвящена целая глава. Были рассмотрены такие типы нелинейных эффектов, как вынужденное рассеяние Бриллюэна (точнее Мандельштама-Бриллюэна) и вынужденное комбинационное рассеяние Рамана, четырех-волновое смешение и др. (всего 14 различных типов).

Основным рынком для оптического волокна является сегодня индуст рия кабельного телевидения с кабельными системами HFC — гибридными волоконно-коаксиальными кабельными системами. Эти системы превратили КТВ из простой индустрии развлечений в полноправного игрока на рынке широкополосных двусторонних цифровых услуг, включая Интернет.

Волоконно-оптическая технология должна гордиться таким достижением, как включение в ее сферу КТВ-услуг. Эта глава содержит краткое введение в КТВ, а затем демонстрирует, как, используя цифровую технику передачи, доставить резидентам последней мили и другим бизнес-пользователям требуемые услуги.

Моя цель в этой книге — постараться донести все это до широкой аудитории, объясняя трудные концепции простым языком. Что следует потенциальному пользователю искать в показателях производительности хорошо спроектированной ВОСП? Что является наиболее экономически эффективным средством достижения этой цели? Дать ответы на эти два первичных вопроса и является основной целью книги.

Роджер Л. Фриман.

ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ В ПЕРЕДАЧУ СИГНАЛА ПО ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛОКНУ 1.1. Требования к полосе пропускания Оптическое волокно — среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации. Если сопоставить его полосу пропускания и емкость канала связи, считая, что 1 бит/с соответствует 1 герцу полосы, то можно прийти к выводу, что емкость такого канала близка к бесконечности. Фактически, весь используемый радиочастотный спектр (считаем, что он укладывается в полосу 3 кГц — 200 ГГц) может быть передан по одному волокну.

Оптическое волокно хорошо вписывается в схему цифровой передачи.

Например, передача по коаксиальному кабелю и паре проводов требует зна чительно больше повторителей (регенераторов) на условную единицу длины, чем если бы она велась по оптическому волокну. Это соотношение ко леблется от 20:1 до 100:1. В результате, накопленный джиттер (дрожание фазы фронтов импульсов) при передаче по оптоволокну значительно меньше, чем при передаче по медным проводам. Это происходит потому, что накопленный систематический джиттер является функцией числа последо вательно включенных повторителей.

При современной технологии емкость волокна (эквивалентная битовой скорости) может достигать 10 Гбит/с в расчете на один битовый поток. Ис пользуя при этом технологию волнового мультиплексирования можно про пустить по одному волокну не менее 80 таких потоков (В момент перевода этой книги это число составляло уже 320). Простое умножение дает нам цифру эквивалентной емкости 800 Гбит/с. В момент, когда эта книга уже вышла, один битовый поток мог переносить уже 40 Гбит/с. Значит то же умножение 80, но на 40, дает нам цифру эквивалентной емкости 3,2 Тбит/с на одно волокно. Предположим, что волоконно-оптический кабель (ВОК) имеет 24 волокна, из которых 4 резервных. Тогда оставшиеся 20 позволяют организовать 10 симметричных полнодуплексных (двунаправленных) канала.

Таким образом, при емкости 3,2 Тбит/с на волокно, получаем общую емкость ВОК в 32 Тбит/с. Эта емкость могла бы удовлетворить на некоторое время предъявляемые в настоящее время требования по емкости канала связи.

При самой сложной технике кодирования (упаковки) и использовании 18 ГГц несущей в полосе 40 МГц можно передать в настоящее время поток в 655 Мбит/с. Если допустить передачу по 10 таких несущих в одну и в другую стороны, то общая транспортная емкость такой системы будет равна 6 Гбит/ с, что составит всего 1/500 емкости, передаваемой по одному ВОК. При этом, конечно, волоконно-оптическая система передачи (ВОСП), использующая современные методы, не использует аналогичную технику упаковки бит.

1.2. Модель волоконно-оптической системы передачи Рис. 1.1 представляет простую модель ВОСП. В тексте ниже мы будем часто ссылаться на эту модель. Не нужно большого воображения, чтобы увидеть, что ВОСП аналогична некой радиосистеме или беспроводной системе передач.

Рис. 1.1. Упрощенная модель ВОСП В табл. 1.1 приведено сравнение аналогичных рис. 1.1 блоков. В ней приведены блоки, последовательно формирующие указанную выше модель.

Это сравнение показывает, что во многих отношениях ВОСП не так уж существенно отличается от проводной (медно-жильной) системы или радиосистемы передачи.

Операции в блоках могут быть аналоговыми или цифровыми. Многие кабельные телевизионные системы используют аналоговый формат, со временем, однако, он все больше меняется на цифровой. Другая форму аналоговых приложений — передача радиосигналов в их естественной форме без использования частотной модуляции.

Возвращаясь к рис. 1.1, опишем кратко функцию каждого блока на блок-схеме, двигаясь слева направо. Электрооптический преобразователь (ЭОП) преобразует цифровой электрический сигнал в оптический NRZ- или RZ-сигнал или сигнал, использующий манчестерский код. Он также устанавливает требуемый уровень постоянного смещения входных импульсов. Формы импульсной последовательности и кодов рассмотрены в гл. 4.

Таблица 1. Сравнение по методу аналогий Волоконно-оптическая Радио/беспроводная/ Комментарий линия связи проводная линия связи Электрооптический Модулятор или формирователь Все три случая требуют преобразователь сигнала какого-то преобразования формы сигнала, напр., AMI в NRZ Источник оптического Источник сигнала (передатчик Выход источника сигнала, как сигнала или модем) правило низкого уровня Волоконно-оптическая среда Передача радиосигнала через передачи атмосферу или радио/аудио сигнала по медным проводам Детектор оптического Приемник или демодулятор Порог срабатывания прием сигнала модема ника во всех 3 случаях опре деляет показатели ошибок Схема формирования Выход приемника или модема выходного сигнала и формирователь сигнала Принципиальный упор в гл. 4 сделан на волоконно-оптический источ ник светового излучения. В некоторых местах по ходу изложения этот ис точник назван передатчиком. Существуют два различных источника света, широко используемых сегодня на практике: светоизлучающий диод — СИД (LED) и лазерный диод — ЛД (LD). Оба источника относятся к устройствам со сравнительно низким уровнем выхода, лежащим в диапазоне от —10 дБм до +6 дБм. Они используют модуляцию по интенсивности, которую мы, при первом знакомстве, будем называть модуляцией типа включено-выключено.

Этот источник соединяется с детектором светового сигнала на удаленном конце через одно из оптических волокон в ВОК (другие волокна используются для других целей, в том числе и для резервирования). ВОК подробно рассмотрен в гл. 2. Оптические волокна внутри кабеля могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми. Физические размеры волокна (диаметр его сердцевины) определяют какого оно типа. Существуют как экономические, так и эксплуатационные соображения, которые могут определять, какой тип волокна нужно использовать для конкретного проекта.

ВОК поставляется на катушках (или барабанах), представляющих одну кабельную секцию, которая имеет длину 1, 2, 5 и 10 км. (Может определятся также конкретными строительными длинами, требуемыми заказчику).

Соединительные оптические разъемы (или коннекторы) используются на концах кабелей (с обоих сторон) для соединения кабеля с указанными источником и детектором. Для длинных линий (ВОСП) может потребоваться несколько таких катушек. Строительные длины соединяются друг с другом путем сращивания. Сростки и оптические разъемы рассматриваются в гл. 3.

В связи с этим, обычно, рассматриваются два наиболее важных параметра:

вносимые потери и возвратные потери. Вносимые потери, вызванные на личием сростка, должны быть меньше 0,1 дБ, тогда как аналогичные потери, вызванные наличием оптического разъема, должны быть меньше 1 дБ.

Возвратные потери (или потери на отражение), определяющие уровень согласования импедансов между сростком и кабелем, должны быть не менее 30 дБ.

Приемник, или детектор светового излучения на удаленном конце волоконно-оптической линии, является, по сути, счетчиком фотонов.

Большинство ВОСП в настоящее время используют два типа приемников:

PIN-duod и лавинный фотодиод (ЛФД). PIN-диод, в целом, проще и менее чувствителен к изменению окружающей среды, так как не имеет внутреннего усиления. ЛФД — более сложен и более чувствителен к изменению окружающей среды, но может обеспечить 10-20 дБ дополнительного усиления. Проектировщик ВОСП выбирает порог приемника, руководствуясь заданным уровнем коэффициента ошибок по битам — BER. (Ниже под BER будем понимать Bit Error Ratio (коэффициент ошибок), а не Bit Error Rate (частость ошибок), термин, используемый в оригинале, но не рекомендуемый стандартами ITU-T.).

Порог приемника — уровень входной мощности, выраженный отрицательной величиной дБм и зависящий от ряда факторов: типа приемника, в какой-то мере, его конструкции, скорости передачи и, конечно, уровня ВЕR. При проектировании системы нужно стараться, чтобы уровень сигнала на входе приемника не был избыточным. На коротких секциях часто требуется использовать оптический аттенюатор последовательно с приемником, чтобы сместить уровень входного сигнала в желаемый диапазон [1.1].

В табл. 1.2 приведены сравнительные данные влияния различных причин на ухудшение показателей различных систем: ВОСП, радиосистем, беспроводных систем и проводных систем передачи.

1.2.1. Диапазоны длин волн, используемые для передачи сигнала по оптоволокну Радио, проводные и кабельные системы передачи используют понятие частоты для описания рабочей области, занимаемой системой в радиочастот ном спектре. Частота при этом измеряется в герцах. Говорят, что ВОСП плод исследования и разработки физиков, поэтому для описания положения их рабочей области в радиочастотном спектре используется понятие длины волны.

Таблица 1. Сравнение влияния разных причин на ухудшение показателей различных систем передачи Показатель/ Радиосистемы и Проводные системы ВОПС причина беспроводные системы ВЕR 110-9 110-10 110- Потери линии (дБ) Принципиальные Принципиальные Принципиальные ухудшения ухудшения ухудшения Дисперсия Могут быть ухудше- Не являются Могут быть ухуд ния при большой первопричиной шения при большой скорости ухудшения скорости Замирания Влияют Нет Нет Накопленный Умеренно влияет Сильно влияет Мало влияет джиттер Незащищенность Низкая Средняя Высокая Емкость канала Низкая/средняя Низкая/средняя Очень высокая Потери поглощения Основные потери на Нет Нет при дожде частоте 10 ГГц ЭМС: чувствитель- Существует Существует Нет ность к электромаг- нитному излучению ЭМС: генерация Существует До некоторой Нет электро-магнитного степени излучения Замечания. BER — ВОСП проектируются в общем случае в расчете на ВЕR = 110-12. ВОСП либо имеют ограничения по потерям сигнала, либо по (*накопленной) дисперсии. Радиосистемы и беспроводные системы передачи могут иметь ограничения по дисперсии. Однако пространственное разнесение и автоматическое выравнивание сигнала промежуточной частоты (ПЧ) позволяют бороться с дисперсией. Эти вредные эффекты дают аналогичный результат, а именно: межсимвольные искажения, приводящие к ухудшению или серьезному ухудшению показателей ошибок. Проводные системы имеют ограничения по потерям сигнала. Незащищенность.

Проводные системы и ВОСП слабо защищены от случайного или намеренного обрыва кабеля. И те и другие страдают и от воздействий окружающей среды, таких как повреждения от воды или мороза. Основной недостаток ВОСП - их незащищенность. В гл. 9 мы обсудим, как ослабить влияние такой незащищенности, но ее нельзя исключить полностью. Потери при дожде. Широкая полоса используемых частот в радиосистемах и беспроводных системах достигается на частотах выше 10 ГГц, что приводит к уменьшению длины линии передачи, вызванному потерями на поглощение сигнала при дожде;

чем выше частота, тем больше ограничений на время доступности (т.е. надежного распространения). Конечно, для проводных систем и ВОСП время доступности от этого не страдает. ЭМС. Этот показатель имеет два аспекта: чувствительность к излучению и генерация излучения. Генерация излучения означает, что система может быть источником электромагнитных помех (RFI). Чувствительность к излучению ясно говорит о незащищенности от электромагнитных помех. Для радиосистем имеет место как генерация излучения, так и чувствительность к излучению, часто оба явления приводят к проблемам. Проводные системы также чувствительны к электромагнитному излучению. ВОСП - напротив, не излучают и нечувствительны к электромагнитным помехам [1.2].

Будем полагать, что свет - расширение радиочастотного спектра на его высокочастотном конце. Эта концепция непрерывного спектра иллюстрируется рис. 1.2. Для длины волны обычно используется обозначение. Так как это длина, то ее основной единицей измерения является метр. Мы можем связать частоту в герцах и длину волны в метрах (м), используя традиционную формулу F = 3108 м/с (скорость света в вакууме) (1.1) Итак, F в герцах, а в метрах.

Рис. 1.2. Частотный спектр выше 300 МГц, где показано положение рабочей области ВОСП.

Примеры. Допустим, что ваша любимая ЧМ-станция, транслирует музыку на частоте 104 МГц. Какова ее эквивалентная длина волны?

104106 = = 3108 /104106 = 2,8846 м.

Рабочие длины волн в волоконной оптике обычно приводятся в нано метрах (нм). 1 нанометр это: 1 нм = 110-9 м, или 0,000000001 м.

Одна из широко используемых длин волн в ВОСП - 1310 нм. Какова ее эквивалентная частота?

1310109 F = 3108 м/с F = 3108 /131010-9 = 2,291014 Гц, или 2,29105 ГГц, или 229 ТГц.

При переводе длин волн в частоту для практических целей, например в системах WDM, обычно используют более точную оценку скорости света — 2,99792458, в результате получаем частоту 228,849 ТГц с точностью до ГГц.

Рис. 1.3. Затухание оптического волокна в зависимости от длины волны (по казаны три окна прозрачности, используемые для ВОСП).

На рис. 1.3 показаны три основных окна прозрачности, которые являются рабочими диапазонами длин волн для ВОСП. Это - 820-900 нм;

- 1280-1350 нм;

- 1528-1561 нм.

Причем последнее окно может быть расширено до 1620 нм (Эта область обычно называют четвертым окном прозрачности). Если оценить частоты, соответствующие последнему окну и его расширению, то, используя уравнение (1.1), можно получить для 1528 и 1620 нм соответ ственно F1 и F2:

F1 = 3108 /152810-9 = 1,961014 Гц = 196 ТГц F2 = 3108 /162010-9 = 1,851014 Гц = 185 ТГц Вычитая F2 из F1 получим, что полезная рабочая полоса этих окон равна 11 ТГц, или 11000 ГГц. Эта ширина полосы в 110 раз больше той, что может быть использована в радиочастотной части спектра [1.1].

Полезная ширина полосы одиночно излученного светового импульса определяется импульсной передаточной функцией рассматриваемого опти ческого волокна (ОВ). Математический вывод такой передаточной функции довольно сложен и серьезен и выходит за рамки нашей книги. Но мы поста раемся представить его схематично. Пусть Во — ширина полосы ОВ, а Вс полученная после детектирования ширина полосы результирующего электрического сигнала. Учитывая, что оптическая ширина полосы волокна определяется импульсной передаточной функцией этого волокна, можно по казать, что измеренная на уровне -3 дБ (по мощности) оптическая ширина полосы Во оценивается с помощью показателя - полная ширина полосы на уровне половины от максимума (FWHM), формулой вида Во = 441/FWHM (1.2) полагая, что функция (1.2) имеет вид гауссовской кривой, Во измеряется в МГц, a FWHM - в нс.

Далее можно показать, что время нарастания t можно оценить через Во с помощью формулы вида t = 315/ Во (1.3) Оптическая ширина полосы определяется аналогичным образом, как полоса радиосигнала, отсчитанная на уровне —3 дБ по мощности. Это можно соотнести непосредственно с током /в оптическом детекторе. Так, известно, что электрическая мощность, генерируемая в таком детекторе, про порциональна I2, поэтому уровень —3 дБ оптической мощности (определяемый как уровень, соответствующий 50% уменьшению тока I) при ведет к уровню —6 дБ электрической мощности (определяемому как уро вень, соответствующий 75% уменьшению тока I2). Таким образом, уровень - дБ оптической ширины полосы равен уровню -6 дБ электрической ширины полосы частот. Это не используется и не будет определятся в дальнейшем.

Однако из этого следует, что ширина электрической полосы частот на уровне —3 дБ должна быть меньше, чем ширина оптической полосы на том же уровне -3 дБ. И, хотя математическая сторона этого дела не так проста, если функция имеет форму гауссовой кривой, то можно показать, что Bc = B0 / 2 = 0,707B0 (1.4) На рис. 1.3 читатель должен заметить так называемый пик поглощения света «водой», расположенный приблизительно на длине волны 1400 нм (фактически на 1383 нм). «Вода» характеризуется наличием примесей в во локне, но показанный нами пик поглощения вызван фактически наличием радикалов ОН-. Результатом этого является высокий уровень поглощения вокруг 1400 нм [1.3].

1.3. Волоконно-оптический световод как среда передачи 1.3.1. Конструкция световода Жила ОВ может быть названа оптическим световодом. Можно предполо жить, что этот термин был заимствован у радистов, использующих анало гичное понятие — волновод. На рис. 1.4 показана жила волокна и составляю щие ее части. Конечно, ее изображение существенно увеличено и схематично, чтобы заострить внимание на ряде моментов. На нем видно, что жила ОВ состоит из внутренней сердцевины и окружающей ее оболочки.

Любые дополнительные покрытия (оболочки) являются защитными. На рис.

1.4 показано внешнее пластиковое покрытие.

Рис. 1.4. Основная конструкция оптического волокна Обычно, показатель преломления сердцевины обозначают как n1, тогда как показатель преломления оболочки обозначают как n2. Это важные пара метры и мы рассмотрим их ниже. Когда жила ОВ спроектирована так, что n1> n2, то структура: сердцевина-оболочка, ведет себя как волновод. Кварцевое стекло (SiO2) является основным материалом, как для сердцевины, так и оболочки. Для подгонки нужных значений показателя преломления используются легирующие примеси, такие как бор или германий.

Из физики известно, что показатель преломления среды равен скорости света в вакууме, деленной на скорость света в данной среде. По определению показатель преломления вакуума равен 1.

1.3.2. Как свет распространяется по волоконно-оптическому световоду Как фактически распространяется свет по ОВ лучше всего объяснить, ис пользуя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упро щенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показа телем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Это, например, происходит тогда, когда луч из воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела. Рис. 1.5 демонстрирует картину при различных углах падения. Рис.

1.5(а) показывает такой угол падения, при котором преломленный луч пол ностью уходит в свободное пространство. Рис. 1.5(б) показывает такой угол падения, который называется критическим, когда преломленный луч начи нает скользить по границе раздела. Рис. 1.5(в) демонстрирует случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.

Рис. 1.5. Путь лучей для нескольких углов падения, n1 > n2, где n1 и п2 — показатели преломления двух различных сред (рис. 4, с.15 в [1.2]).

Другое свойство ОВ, характерное для определенной длины волны, это нормализованная частота V:

2 a 2 V = n1 - n2 n1 2 (1.5) где а — радиус сердцевины, n2 для ОВ без оболочки = 1, = n1 - n2 / n ( ) 2 Член n1 - n2 в уравнении (1.5) называется числовой апертурой (NA). В сущности, числовая апертура используется для того, чтобы описать светосо бираюшую способность волокна. Фактически, количество оптической мощ ности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NA.

Интересно заметить, что числовая апертура ОВ не зависит от его физических размеров.

Для лучшего понимания числовой апертуры, рассмотрим рис. 1.6, кото рый иллюстрирует конус света, воспринимаемого волокном. Как показано в формуле ниже этого рисунка, угол этого конуса определяется равенством sinqA = NA. Концепция светособирающей способности волокна, выраженная численно с помощью NA, хорошо иллюстрируется графически этим приемным конусом.

Как показано на рис. 1.1, существует три основных элемента ВОСП:

источник, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) и оптический детектор.

Что касается ВОЛС, то существуют два основных параметра, которые огра ничивают ее длину без использования повторителей, или длину секции между двумя повторителями. Этими наиболее важными параметрами являются потери, обычно выражаемые в дБ/км, и дисперсия, которая часто выражается в виде эквивалентного произведения ширины полосы на длину (линии) - МГцкм. (Это произведение называется обычно коэффициентом широкополосности, он используется как показатель только для многомодовых ОВ или ВОК). Длина линии может быть ограничена мощностью (бюджетом мощности), т.е. может ограничиваться потерями, или может ограничиваться дисперсией (накопленной дисперсией).

Дисперсия, проявляющая себя в виде межсимвольной интерференции на удаленном конце, вызвана двумя факторами. Один из них — материальная дисперсия, а другой — модовая дисперсия. Материальная дисперсия вызвана тем, что показатель преломления материала изменяется с частотой. Модовая дисперсия возникает, если оптоволоконный волновод поддерживает несколько мод. В этом случае различные моды имеют различные фазовые и групповые скорости и их максимумы энергии достигают детектор в различные моменты времени. Учитывая, что в большинстве оптических источников возбуждаются много мод, можно предположить, что они, распространяясь по оптоволоконному волноводу с разной задержкой, приводят к искажениям (дисперсии). Уровень искажений зависит от того, какое количество энергии разных мод доходит в определенный момент времени до входа детектора.

Один из путей уменьшения числа мод, распространяющихся в волокне, лежит в изменении конструкции или размеров волновода. Если вернуться снова к уравнению (1.5), то видно, что число мод, распространяющихся в волокне, можно ограничить путем уменьшения радиуса а при сохранении отношения n2/n1 малым настолько, насколько практически возможно, на пример, 1,01 или меньше.

Мы можем оценить число мод N, которые волокно поддерживает, ис пользуя формулу (1.6). Если V = 2,405, то распространяется только одна мода (НЕ11). Если V больше, чем 2,405, то может распространяться больше, чем одна мода. При относительно большом числе распространяющихся мод можно получить следующую оценку:

N=V 2/2 (1.6) Более детально дисперсия обсуждается в гл.7.

ГЛАВА 2 ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ 2.1. Типы оптических волокон Существуют три основных типа оптического волокна (ОВ), отличающихся числом мод и своими физическими свойствами (cчитают, что этих типов два: одномодовое и многомодовое):

- одномодовое волокно;

- многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя прелом ления;

- многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления.

2.1.1. Определение диаметра сердцевины На рис. 2.1 графически представлены сечения многомодового (слева) и одномодового (справа) волокон. Важным в этих рисунках являются сравни тельные размеры сердечников многомодового и одномодового волокон.

Рис. 2.1. Поперечное сечение многомодового (слева) и одномодового (справа) волокон Обратите внимание на то, что внешний диаметр обоих типов волокон одинаков и составляет номинально 125 мкм. Однако существует огромная разница в диаметрах сердцевины: 50 мкм для многомодового волокна и 8,6 9,5 мкм для одномодового волокна. На практике существуют и другие зна чения диаметров многомодового волокна, наиболее используемым из них является 62,5 мкм.

2.1.2. Три типа оптических волокон На рис. 2.2 показана конструкция и профили показателей преломления:

ступенчатый (рис. 2.2(а)) и градиентный (рис. 2.2(б)) для многомодового волокна. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется резким (в виде ступеньки) изменением показателя преломления (от п1 к п2) на границе раздела, тогда как градиентный - плавным изменением.

Рис. 2.2. Конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (а) и градиентный (б) для многомодового волокна.

Многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления является более экономичным по сравнению с градиентным волокном. Для многомодового волокна со ступенчатым профилем показателя преломления коэффициент широкополосности, характеристика, рассмотренная выше, имеет порядок 10-100 МГцкм, при условии, что повторители расположены на расстоянии 10 км, можно передать полосу частот шириной от 1-10 Мгц.

Градиентный профиль показателя преломления делает многомодовое волокно существенно дороже, чем при ступенчатом профиле, однако дает возможность улучшить коэффициент широкополосности. Так, если в качестве источника света используется лазерный диод, то можно довести коэффициент широкополосности до 400-1000 МГцкм. Если же в качестве источника используется СИД, имеющий существенно более широкий спектр излучения (см. материал гл. 4), то с тем же градиентным волокном можно рассчитывать на коэффициент широкополосности порядка 300 МГцкм или выше. Принципиальным ограничивающим фактором в этом случае является материальная дисперсия (см. дискуссию в гл. 6 на эту тему).

На рис. 2.3 показаны профили показателя преломления и характер рас пространения мод для указанных трех типов ОВ на основе кварцевого стекла.

Одномодовое волокно проектируется так, что в нем может распростра няться только одна мода. Благодаря этому V < 2,405 (см. формулу 1.5). В таком волокне нет модовой дисперсии просто потому, что распространяется только одна мода. Типично, мы можем встретить волокно с показателями преломления п1 = 1,48 и п2 = 1,46. Если бы длина волны оптического источ ника света была 820 нм, то для осуществления одномодовых режимов работы потребовалось бы волокно 2,6 мкм, что, конечно мало для современных сис тем. Рис. 2.3(в) иллюстрирует профиль показателя преломления одномодово го волокна. Этот тип волокна демонстрирует значительно лучшие значения коэффициента широкополосности среди описанных трех типов волокон.

Как уже отмечалось в гл. 1, числовая апертура (NA) является мерой светособирающей способности сердцевины волокна. Из рис. 2.1 видно, что значительно больший диаметр многомодового волокна приводит к большим значениям числовой апертуры NA (порядка 0,22), тогда как существенно меньший диаметр одномодового волокна ухудшает сбор света от источника.

В этом случае числовая апертура составляет лишь 0,11.

Рис. 2.3. Профили показателей преломления и моды, распространяющиеся в трех типах ОВ.

2.2. Распространение различных мод по оптоволокну Многомодовое волокно, с его относительно большой сердцевиной, допускает распространение по волокну нескольких или многих мод.

Некоторые из этих мод могут распространяться в волокне на небольшие расстояния и потом исчезать;

другие — могут распространяться на всю длину волокна. Характер многомодового распространения показан на рис.

2.4. Основная проблема возникает тогда, когда эти моды достигают удаленного приемника. Рассмотрим импульс, прошедший по волокну некоторое расстояние. Этот импульс несет в себе световую энергию нескольких мод. Мода самого низкого порядка достигнет приемника быстрее всего. Остальные моды за счет задержки вносят свой вклад позднее.

Прибывший импульс, составленный из компонентов, распространяющихся дольше, приводит к уширению прибывшего вначале импульса, составленного из моды самого низкого порядка, как показано на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Идеализированный рисунок с импульсом источника света в прием ном конусе отрезка многомодового световода (или ОВ), показывающий распространение трех световых мод. Мода самого низкого порядка имеет на рисунке всего два отражения, тогда как мода самого высокого порядка имеет семь отражений на том же самом отрезке световода. В результате энергия моды самого высокого порядка запаздывает по сравнению с энергией моды самого низкого порядка.

Суть проблемы в том, что каждый из этих импульсов, или его отсутствие, представляет двоичные 1 и 0. Пусть наличие импульса соответствует 1, а его отсутствие — 0. И пусть мы передаем последовательность вида 10. Расширенный за счет дисперсии импульс двоичной 1 (как показано на рис. 2.4 внизу справа) займет и соседнюю битовую позицию, которая исходно должна быть двоичным 0. Возникает типичная битовая ошибка. Это упрощенное описание показывает вредное влияние дисперсии, взывающей межсимвольную интерференцию.

В этих условиях, при возрастании скорости передачи, когда ширина импульса становится все меньше, а влияние дисперсии все более губительным, уровень ошибок ВЕК на линии передачи достигает таких значений, что становится совершенно неприемлемым.

Эта ситуация может быть сглажена или разрешена путем:

- уменьшения длины передающей линии (сглаживание проблемы);

- уменьшения скорости передачи (сглаживание или устранение проблемы);

- использования одномодового волокна (устранение модовой дисперсии) [2.1, 2.2].

2.3. Микроизгибы и макроизгибы Микроизгибы вызваны несовершенством волокна. Они вызывают увеличение потерь в кабеле. Эти потери могут быть очень большими и в некоторых случаях могут даже превышать 100 дБ/км [2.1]. Основная причина возникновения этих потерь кроется в процессе производства кабеля. Она связана с искривлениями оси, которые неизбежно происходят в процессе производства кабеля, когда волокно сдавливается недостаточно гладкими внешними покрытиями. Потери от микроизгибов являются функцией диаметра поля моды, конструкции кабеля и его исполнением. Потери от затухания, вызванного микроизгибами, уменьшаются с диаметром поля моды.

Макроизгибы соотносят с некоторым определенным малым радиусом.

Производитель кабеля должен указать в спецификации минимальный радиус изгиба. Когда кабель намотан на катушку, то он, конечно, сгибается по радиусу катушки. Если он прокладывается, в частности, в зданиях, то он может сгибаться на углах. Укладчик не должен уменьшать радиус изгиба меньше минимально допустимого при любой необходимости обхода углов.

Обычно предполагается, что типичный радиус изгиба ВОК должен быть между 10 и 30 см в зависимости от числа волокон в кабеле. Сгибая ВОК сильнее, чем это допускается ограничениями на радиус изгиба, можно по вредить кабель, даже порвать волокна в кабеле. Это может также вызвать существенное увеличение затухания волокна [2.3, 2.4].

На рис. 2.5 показаны различия между микроизгибами и макроизгибами.

Рис. 2.5. Рисунок, иллюстрирующий макроизгибы (слева) и микроизгибы (справа).

2.4. Конструкция кабеля 2.4.1. Диаметр оптоволокна Проектировщики ВОСП и монтажники часто ссылаются на типоразмер кабеля в терминах «сердцевина/оболочка». Например, кабель может быть специфицирован как 50/125, что означает, что диаметр сердцевины — мкм, а оболочки — 125 мкм. В этом случае мы сразу можем сказать, что это волокно относится к классу многомодового, благодаря диаметру его серд цевины. Если бы это было одномодовое волокно, то диаметр его сердцевины был бы 7-10 мкм.

Внешняя поверхность оболочки имеет специальное покрытие, внешний диаметр которого 250-500 мкм. В табл. 2.1 приведены основные физические размеры наиболее общих типов ОВ. Значение 900 мкм в последней колонке указывает на использование плотной буферной оболочки, тогда как значения 2000-3000 мкм соответствуют свободной буферной оболочке.

Таблица 2. Основные размеры оптического волокна (в мкм) Тип Сердцевина Оболочка Покрытие Буфер или трубка I 7-10 125 250 или 500 900 или 2000- II 50 125 250 или 500 900 или 2000- III 62,5 125 250 или 500 900 или 2000- IV 85 125 250 или 500 900 или 2000- V 100 140 250 или 500 900 или 2000- Замечания. Волокно типа I соответствует одномодовому волокну.

Волокно типа II соответствует многомодовому волокну, также как и типа III, IV, V. Волокно типа IV, 85/125, более популярно в Европе, чем в Северной Америке. Волокно типа V, 100/140, имеет самую большую числовую апертуру и захватывает больше всего света, благодаря большой сердцевине.

Его потенциальная ширина полосы меньше, чем у других, и используется для перекрытия небольших и средних пролетов. Учитывая его размеры, оно легко монтируется, в частности, если используются оптические разъемы, а не сварка. Его можно встретить в зданиях. (В нашей стране волокна типа IV и V возможно и применяют для специальных целей, но практически не используют не только в глобальных, но и в локальных сетях.) 2.4.2. Плотное буферное покрытие или свободная буферная трубка Буферизация позволяет изолировать волокно от внешнего воздействия.

Два типа буферизации используется на практике: свободный буфер и плотный буфер, как это показано на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Простые примеры свободной и плотной буферизации волокна.

В конструкции со свободным буфером волокно помещают в пластико вую трубку, внутренний диаметр которой значительно больше внешнего диаметра волокна, как видно из табл. 2.1. Внутренняя поверхность пласти ковой трубки обычно покрыта гелем-смазкой.

Свободный буфер изолирует волокно от внешних механических усилий, прикладываемых к кабелю. Для кабелей, содержащих много волокон, ряд таких трубок комбинируют с силовыми элементами конструкции кабеля, чтобы волокна не испытывали напряжения.

Плотная буферизация при производстве кабеля достигается путем ис пользования прямой экструзии (бесшовного покрытия) пластика поверх первичного покрытия волокна. Плотная буферизация меньше изолирует волокно от внешних воздействий (и температурных изменений). С другой стороны она позволяет выдерживать значительно большие физические воз действия без разрушения волокна.

Кабель типа «breakout» — кабель с плотной буферизацией каждого волокна с упрочняющей оплеткой из арамидных нитей и чехлом из ПВХ, в котором упрочненные таким образом волокна соединяются вместе и покрываются общей для кабеля оболочкой. Такой кабель, допуская простую оконцовку каждого волокна, позволяет упростить монтаж кабеля.

Кабель со свободной буферизацией оптимизируется для внешней про кладки. Основные компоненты в структуре ВОК - кварцевое стекло и по лимерный пластик. В заданном температурном диапазоне расширение этих материалов (скорость/величина) и конструкции в целом будут разными, учи тывая, что каждый материал имеет свой коэффициент расширения. Свобод ная буферизация дает возможность создать для ОВ условия отсутствия вне шних напряжений путем ослабления влияния вышеупомянутых эффектов.

Производители таких кабелей уверены, что соотношение длин волокна и буферной трубки выбрано так, что ни при каких условиях сжатия/растяжения от температуры волокно не будет сжато стенками трубки. Условия от сутствия напряжений, обеспечиваемые свободной буферизацией, компен сируют подвижность внутри кабельной системы так, что никаких механических усилий в волокне не возникает. Эта особенность расширяет рабочий диапазон температур таких кабелей.

С другой стороны кабели с плотной буферизацией на позволяют до такой же степени изолировать волокна от действия внешних сил;

поэтому температурные эффекты растяжения/сжатия, воздействующие на любой из компонентов такой конструкции, прямо передаются на волокно. В результате кабели с плотной буферизацией, как правило, более чувствительны к пере падам температуры и механическим воздействиям, чем кабели со свободной буферизацией. Конструкция ВОК с плотной буферизацией хорошо приспо соблена для внутренней прокладки, при которой дополнительно требуется замедление распространения горения. В этом смысле 900-мкм волокно с плотной буферизацией идеально приспособлено для прямого терминирова ния линий в кабельных системах. Однако те же конструктивные особенности делают такие кабели непригодными для целей внешней прокладки.

Еще одна особенность кабелей со свободной буферизацией — способ ность противостоять разрывам, вызванным замерзанием стоячей воды. Вода, проникающая через внешнюю оболочку кабеля, может привести к росту кристаллов льда на сердцевине кабеля. Этот лед может привести к возник новению микротрещин в кабеле в окрестности этого места, делая кабель непригодным для использования, ввиду резкого возрастания затухания или даже полного разрыва волокна. Поэтому весьма важно предотвратить не контролируемое попадание воды в кабель.

Конструкция кабелей со свободной буферизацией позволяет защитить от проникновения воды и ослабить этот эффект, используя две различные предохранительные меры: блокирующую защиту от проникновения воды в сердцевину кабеля и заполнение буферной трубки компаундом.

Блокирующая защита осуществляется путем закачки геля вокруг сердцевины кабеля и оборачиванием сердцевины кабеля водопоглощающим материалом, что позволяет остановить проникновение воды или существенно уменьшить ее воздействие в случае повреждения внешней оболочки кабеля. Эти меры защиты призваны, в первую очередь, сохранить механическую целостность самого кабеля (например, предотвратить появление трещин от возникновения ледяных кристаллов, рост плесни или коррозии металлических частей кабеля, если они есть). Заправка компаундом позволяет механически амортизировать волокна, давая им возможность плавать внутри трубки, и создает дополнительный барьер между волокном и водой/сыростью в рабочих условиях. Стандартный ВОК с плотной буферизацией не имеет компаунда или водо-блокирующей защиты, что делает его чувствительным к повреждениям, вызванным проникновением воды.

Другим вопросом является защита от ультрафиолетового (УФ) излуче ния. При подвеске кабелей, ВОК должен иметь возможность противостоять прямому воздействию солнечного УФ излучения. ВОК со свободной буфе ризацией содержит углерод в материале внешней оболочки, чтобы обеспе чить защиту от УФ. ВОК с плотной буферизацией не содержит углерода во внешней оболочке и значит, не может быть использован как кабель для подвески [2.6].

2.4.3. Силовые элементы Силовые элементы — важная часть ВОК, особенно в процессе протягивания во время монтажа линии. Уровень напряжений в кабеле в процессе протяжки и других действий при монтаже таков, что может вызвать увеличение потерь за счет возникновения микроизгибов, что в свою очередь приводит к возрастанию затухания и возможным эффектам «усталости» материала. Чтобы снять эти стрессовые нагрузки во время монтажа и эксплуатации, в структуру ВОК добавляются внутренние силовые элементы.

Эти элементы обеспечивают свойства растяжения под нагрузкой, подобно тому, что имеет место при прокладке телефонных линий и других кабельных конструкций. Они предохраняют ВОК от перегрузки путем минимизации удлинений и сжатий. Нужно иметь ввиду, что оптическое волокно хрупкое и растягивается очень мало, перед тем как разорваться. Таким образом, силовые элементы должны иметь лишь небольшое удлинение под действием ожидаемой растягивающей нагрузки.

Три типа силовых элементов широко используются в конструкции ВОК: эпоксидные стержни из стекловолокна, сталь и арамидные нити.

Усилие разрыва первых двух — 480 фунтов (2135 Н), а для арамида — фунта (4199 Н). Процент удлинения перед разрывом равен 3,5 для стекловолокна, 0,7 для стали и 2,4 для арамида. Ударное сопротивление, гибкость и другие механические факторы также влияют на выбор силовых элементов [2.5].

Некоторые типичные кабельные конструкции (в скрутке и их попереч ные сечения) показаны на рис. 2.7(а) и 2.7(б). Рис. 2.7(а) дает 4 примера ВОК, используемого на длинных секциях сетей кабельного телевидения (КТВ). За ним следует табл. 2.2(а), в которой приведены типичные физические характеристики этих типов кабеля. В этой таблице проведены кабели компании Belden Beloptix. Все 4 примера ВОК относятся к классу «со сво бодной буферизацией». Понятия волокна с «выровненным» или с «профиль ным» показателем преломления оболочки обсуждаются ниже в 2.6.

Рис. 2.7(а). Скрутки и поперечные сечения 4 кабелей со свободной буфериза цией компании Belden Beloptix для использования в длинных секциях частных/общественных КТВ-сетей (с разрешения компании Belden Wire and Cable Inc., Richmond, Indiana [2.5]).

Рис. 2.7(б). Поперечные сечения скрутки и конструкция кабелей с плотной буферизацией компании Corning Cable Systems для использования внутри зданий. Это пожаробезопасные (с замедленным распространением горения) кабели, удовлетворяющие требованиям кодов NEC (магистральные кабели типа Unitized MIC) (с разрешения компании Corning Cable Systems, LANscape Solution Catalog, c. 1.30 [2.7]).

Рис. 2.7(б) демонстрирует типичные характеристики ВОК с плотной буферизацией для использования в качестве магистральных кабелей внутрен ней прокладки. Они относятся к типу ВОК «Unitized MIC» компании Corning Cable Systems и имеют от 24 до 144 отдельных кабельных жил. Этот рисунок использует табл. 2.2(б), которая содержит соответствующие физические ха рактеристики и характеристики передачи.

Таблица 2.2(а) Физические характеристики ВОК сетей общего пользования компании Belden.

Физические данные Выровненная оболочка Выровненная оболочка Число волокон 4-288 4- Тип волокна Одномодовое Одномодовое Диаметр оболочки 125 ± 1 мкм 125 ± 1 мкм Тип покрытия Ультрафиолетовый акрилат Ультрафиолетовый акрилат Внешняя оболочка Полиэтилен средней Полиэтилен средней плотности (черный) плотности (черный) Силовой элемент Арамид и центральный Арамид и центральный стержень из стекловолокна стержень из стекловолокна Диапазон рабочих -40°С - +70°С -40°С - +70°С температур Максимальная нагрузка 2700 Н 2700 Н при монтаже Максимальная 600 Н 600 Н длительная нагрузка Диаметр поля моды 9,3 ± 0,5 мкм для = 1310 нм 9,3 ± 0,5 мкм для = 1310 нм 10,5 ± 1,0 мкм для = 1550 нм 10,5 ± 1,0 мкм для = 1550 нм Замечания. Максимальное затухание: на длине волны 1310 нм — 0, дБ/км, а на длине волны 1550 нм - 0,25 дБ/км.

Минимальный радиус изгиба (в дюймах) при монтаже — 20 диаметров ВОК. Минимальный радиус изгиба (в дюймах) при длительной эксплуатации — 10 диаметров ВОК (с разрешения компании Belden Wire and Cable [2.5]).

Таблица 2.2(б) Сводка физических параметров и характеристик передачи магистральных ВОК типа Unitized MIC компании Corning Cable Systems.

Температура хранения -40°С — +70°С Рабочая температура -20°С — +70°С Список NEC/CSA NEC «OFNR», CSA «FT-4» Пожаробезопасность UL-1666 (для магистральных и общих кабелей в зданиях Таблица 2.2(б). Продолжение Число Число Номинальный Номина- Тип Максимальная Минимальный волокон модулей внешний льный центрального растягивающая радиус изгиба, диаметр, вес, силового нагрузка, Н см мм кг/км элемента Краткос- Долго- Рабочая При рочная срочная нагрузка монтаже 6-волоконный субмодуль 24 4 12,2 120 G 2500 1000 18,2 12, 30 5 13,6 159 G 3500 1700 20,4 13, 36 6 15,2 189 JG 4000 2000 22,8 15, 48 8 17,9 264 JG 5000 2500 26,8 17, 60 10 21,1 380 JG 5500 3000 31,7 21, 72 12 (9/3) 20,3 301 G 5600 3000 30,5 20, 12-волоконный субмодуль 72 6 22,3 373 JG 7000 3500 33,5 22, 84 7 24,5 458 JG 7000 3500 36,8 24, 96 8 26,6 543 JG 8800 4000 39,9 26, 108 12 (9/3)*** 30,0 492 10000 4000 45,0 30, 120 12 (9/3)** 30,0 527 10000 4000 45,0 30, 132 12 (9/3)* 30,0 567 10000 4000 45,0 30, 144 12 (9/3) 30,0 572 10000 4000 45,0 30, Характеристики передачи Вариант 12 30 50 31 исполнения 62,5/125 мкм 62,5/125 мкм 62,5/125мкм 50/125 мкм Одномодовый 850/1300/1550нм 850/1300 нм 850/1300 нм 850/1300 нм 850/1300 нм 1300/1550 нм Максимальное 3,5/1,0 3,5/1,0 3,5/1,0 3,5/1,5 1,0/0, затухание, дБ/км Типовое 3,0/1,0 3,0/1,0 3,0/1,0 3,0/1,0 0,5/0, затухание, дБ/км Минимальная 200/500 200/500 200/500 500/500 — ширина полосы LED, МГцкм Минимальная — 22/— 385/— — — ширина полосы RML, МГцкм Гарантированная 275/550 300/550 500/1000 600/600 дли на (м) для GE Замечания.* = 1 модуль-наполнитель (кордель), ** = 2 модуля наполнителя (корделя), *** = 3 модуля-наполнителя (корделя), все варианты с *, **, *** соответствуют 3 внутренним (центральным) модулям. Число модулей включает и вариант исполнения с двумя слоями модулей. Например, 12 (9/3**) соответствует 9 внешним модулям, расположенным вокруг внутренних (центральных) модулей, два из которых — кордели (с разрешения Corning Cable Systems, см. LANscape Catalog, с. 1.31 [2.7]) 2.5. Характеристики оптического волокна 2.5.1. Оптические характеристики Как отмечалось ранее, в одномодовом волокне распространяется только одна мода на рабочей длине волны. В этой категории оптического волокна мы имеем следующие типы: стандартное одномодовое волокно, волокно со сдвигом нулевой дисперсии и волокно с малой ненулевой дисперсией. Они зависят от конструкции волокна. При тестировании этих типов волокон, нужно помнить, что источник света (лазерный диод или СИД) не является строго монохроматичным, а его выходное излучение покрывает определенную полосу длин волн. В результате того, что время распространения спектральных компонент различно, происходит уширение импульсов. Степень такого уширения пропорциональна спектральной ширине используемого источника. Близкие к монохроматическим (использующие одну продольную моду) лазерные источники (SLM-лазеры), как правило это лазеры с распределенной обратной связью, допускают нормальную работу с одномодовым волокном на длинах волн, которые отстоят от длины волны нулевой дисперсии дальше, чем это позволяют делать лазеры, использующие несколько продольных мод (MLM-лазеры).

Стандарты EIA/TIA — классифицируют одномодовые волокна в соответствии с их дисперсионными характеристиками. Существуют одномодовые волокна без сдвига нуля, которые имеют длину волны нулевой дисперсии в районе 1310 нм (эти волокна обычно называют стандартными одномодовы-ми волокнами). Эти волокна по классификации EIA/TIA соответствуют классу IVa. Существуют также два типа волокна со сдвигом дисперсии. Один — со сдвигом нуля дисперсии в область 1550 нм (эти волокна обычно называют одномодовыми волокнами со сдвигом дисперсии), который классифицируется EIA/TIA как волокно класса IVb. Другой - с ненулевой смещенной дисперсией, имеет ненулевую (но небольшую по величине) дисперсию в определенной области в окне прозрачности 1550 нм.

Это волокно классифицируется как волокно класса IVd.

В диапазоне 1550 нм затухание волокна может быть значительно ниже, чем в районе 1310 нм для любого типа волокон. Однако дисперсия волокон, спроектированных со сдвигом дисперсии, на длине волны 1310 нм может быть существенно выше, чем дисперсия на той же длине волны, но у волокон без сдвига дисперсии.

2.5.2. Механические характеристики Одним из основных свойств оптического волокна является его прочность. Однако, в процессе изготовления на поверхности волокна появляются микроскопические изъяны, которые заметно ухудшают базовую прочность. Благодаря процессу производства кабеля и укладке волокна в кабель, происходит дальнейшее ухудшение прочности волокна. Ухудшение прочности и обрыв волокна в результате роста изъянов (трещин) на поверхности можно объяснить тремя причинами: динамической усталостью, статической усталостью и старением в отсутствие нагрузки. Многие монтажники ВОК работали раньше на монтаже медных кабелей, которые имеют совершенно отличные механические характеристики. Динамическая усталость возникает при кратковременном приложении значительных растягивающих усилий. Это соответствует типичному сценарию, когда ВОК затягивается на место через кабелепровод или протягивается вдоль направляющих труб/лотков. Статическая усталость, наоборот, приобретается тогда, когда кабель длительное время находится под постоянной нагрузкой.

Старение в отсутствие нагрузки относится к такому типу ухудшения прочности, который происходит в условиях отсутствия нагрузки на кабель, но под действием высокой окружающей температуры и влажности.

2.5.3. Волоконно-оптические модули Задача, выполняемая волоконно-оптическими (или оптическими) модулями, — организовать жилы волокна так, чтобы упростить их идентификацию и обработку, а также в том, чтобы структура такой организации сохранялась не только тогда, когда жилы волокна находятся в собранном ВОК, но и тогда, когда с кабеля снята наружная оболочка.

Волоконно-оптический модуль, может быть оформлен в виде пучка волокон, ленты с волокнами или свободной трубки.

Волоконно-оптический модуль, как правило, объединяет 6-12 волокон свободно собранных вместе с помощью спиральной обвязки. Эта обвязка должна быть сделана так, чтобы она сохраняла свое положение в ВОК и облегчала идентификацию оптических модулей, когда оболочка ВОК снята.

Один из методов организации жил волокна - формирование ленточной структуры. Такие волоконно-оптические ленты позволяют упаковывать в кабель до нескольких тысяч волокон. Однако, как правило, такие ленты содержат 4, 6, 8, 12 или 24 волокна, расположенных в виде линейного мас сива жил, образующего модуль.

Ленты с волокном собираются в матрицу для облегчения идентификации волокон, а также для придания прочности и улучшения защитных свойств. Материал таких матриц оптимизируется для улучшения надежности и рабочих характеристик. Этот материал должен быть совместим с внешним покрытием матриц, когда монтажники используют инструменты с тепловым методом зачистки волокна при удалении покрытия с волокна, и формирующем матрицу материалом, при сращивании, оконцовке или осуществлении других монтажных действий. Формирующий матрицу материал должен быть прозрачен настолько, чтобы можно было идентифицировать отдельную жилу волокна.

Волокна могут быть помещены также внутрь трубки, чтобы изолировать их от внешних механических напряжений. В трубку, как правило, помещают 6 или 12 волокон. Трубка должна также обеспечить легкость идентификации модулей в случае удаления внешней оболочки ВОК.

2.6. Волокно с выровненным или с профильным показателем преломления оболочки В наиболее простой конструкции одномодового волокна его оболочка имеет выровненный (одинаковый) показатель преломления вдоль всего сечения оболочки. Такая конструкция волокна формирует плоский пьедестал профиля показателя преломления (ППП) вплоть до границы с сердцевиной.

Это способствует единообразию характеристик волокон, что особенно важно, когда различные волокна должны быть объединены в одну существующую сеть. Волокно с плоским пьедесталом ППП обеспечивает, в принципе, не сколько меньшее затухание и большее значение диаметра поля моды (обла сти, занятой световым потоком одномодового волокна, диаметр которой больше физического диаметра сердцевины), чем в случае использования конструкции волокна с профильным ППП.

Конструкции волокна с профильным ППП обычно получается при ис пользовании метода внутреннего осаждения из паровой фазы или модифи цированного метода химического осаждения из паровой фазы для получения оптического волокна. Показатель преломления называется профильным, потому что он не одинаков по сечению оболочки, а имеет профиль пьедес тала, вдавленного в среднюю часть сечения оболочки. Вдавленный пьедестал говорит о том, что два показателя преломления не согласованы. Это происходит в том месте, где стеклянная трубка стыкуется с осаждаемым из паровой фазы стеклом. Сама вдавленность вызвана добавлением легирующих химических веществ в оболочку перед тем, как осуществить осаждение материала сердцевины из паровой фазы.

Этот тип оболочки влияет на потери волокна при изгибе. Как мы упоминали выше, чем меньше диаметр поля моды, тем меньше потери при изгибе. Это справедливо для обоих типов указанных волокон, отличающихся ППП.

Однако, при одном и том же диаметре поля моды (MFD), внесенные (за счет изгиба) потери больше для волокна с профильным показателем прелом ления, если диаметр изгиба больше 50 мм. Такие типы изгибов встречаются обычно в сростках монтажных шкафах и муфт и в кабелях. Следовательно, нужно ожидать, что стандартно изготовленное волокно с профильным пока зателем преломления оболочки имеет несколько меньший диаметр поля моды, при прочих равных условиях (достижения тех же показателей).

Меньшие MFD проектируются в волокнах с профильным показателем преломления.

На рис. 2.8 (а) показан выровненный профиль показателя преломления оболочки, а на рис. 2.8(6) профиль с вдавленным пьедесталом [2.8].

Рис. 2.8. (а) Выровненный профиль показателя преломления оболочки (с раз решения «Corning News & Views», [2, 8]. (б) Профиль показателя преломления с вдавленным пьедесталом (с разрешения «Corning News & Views», [2, 8].

2.7. Типичные характеристики оптического волокна высокого качества Компания Corning Fiber Systems выпустило волокно LEAF, имеющее большую эффективную активную площадь волокна. Оно является идеальным для использования в широкополосных системах DWDM, работающих в окне прозрачности 1550 нм. В табл. 2.3 приведены оптические характеристики такого волокна, в табл. 2.4 приведены физические параметры этого же волокна, а в табл. 2.5 даны некоторые значения физических и механических параметров, полученные в результате тестирования.

Таблица 2. Оптические характеристики волокна LEAF компании Corning Характеристика/параметр Значение Комментарий Ослабление при длине волны 1550 нм 0,25 дБ/км при длине волны 1625 нм 0,25 дБ/км Точка разрыва непрерывно- не больше, чем 0,1 дБ при сти 1550 нм Затухание при длине волны 1,0 дБ/км 1383 нм Прирост затухания в диапа- 0,05 дБ/км По отношению к длине вол зоне 1525-1575 нм ны 1550 нм Прирост затухания за счет На оправке диаметром 0,05 дБ/км изгиба мм, 1 оборот, по отношению к 1550 и 1625 нм Прирост затухания за счет На оправке диаметром изгиба мм, 100 оборотов, по 0,50 дБ/км отношению к 1550 и нм Диаметр поля моды 9,2-10,0 мкм при 1550 нм Полная дисперсия 2,0-6,0 пс/нм/км В диапазоне 1530-1565 нм Поляризационная модовая 4,5-11,2 пс/нм/км В диапазоне 1565-1625 нм дисперсия (PMD) Дисперсия PMD для протя- 0,08 пс (км)1/ женной линии (см. Замечание) Максимальная PMD для от- 0,20 пс (км)1/ дельного волокна Замечание. Параметр Дисперсия PMD для протяженной линии (известный также как Среднеквадратическое PMD линии) используется для статистического описания PMD волокон в кабеле. Это значение используется для более точного определения статистической верхней границы PMD в ВОЛС.

Таблица 2. Физические размеры волокна LEAF Характеристика/параметр Значение Стандартная длина 4,4 - 25,2 км/катушку Радиус собственной кривизны волокна 4,0м Диаметр оболочки 125 ± 1 мкм Неконцентричность сердцевины и оболочки 0,5 мкм Некруглость оболочки 1,0 % (см. Замечание) Диаметр покрытия 245 ± 5 мкм Неконцентричность покрытия и оболочки < 12,0 мкм Замечание. Определяется как [1 - (минимальный диаметр оболочки) / (максимальный диаметр оболочки)] Таблица 2.5.

Значения физических и механических параметров Характеристика/параметр Значение Испытание: перемотка волокна, находящегося под > 0,7 ГН/м действием растягивающей нагрузки (см. Замечание) Эффективная площадь светового поля 72 мкм Эффективный групповой показатель преломления (Neff) 1,469 при 1550нм Коэффициент сопротивления динамической усталости (nd) Усилие снятия защитного покрытия, сухого 3,0 Н Усилие снятия защитного покрытия, мокрого, 3,0 Н 14 дней при комнатной температуре Замечание. Возможно проведение испытаний и при больших значениях ГЛАВА 3 ОПТИЧЕСКИЕ РАЗЪЕМЫ, СРОСТКИ И ПАССИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА 3.1. Введение Цель этой главы - описать различные пассивные устройства, используемые в волоконно-оптических сетях. Существует пять основных типов волоконно-оптических сетей. (Классификация автора отличается от общепринятой):

1. Глобальные сети (с большой длиной пролета) общего или частного пользования.

2. Офисные сети и сети масштаба предприятия, называемые также внутриобъектными сетями.

3. Местные распределительные сети, включающие сети кабельного телевидения (КТВ), в частности, сети, использующие гибридные (с медными и оптическими жилами) кабели.

4. Региональные сети (класса «Метро», MAN), осуществляющие передачу данных аналогично тому, как это делается в сетях масштаба предприятия: сети либо доставляют данные локально, либо передают потоки данных по всему региону.

5. Сети специального назначения, обычно передающие сигнал на очень короткие расстояния.

Каждый тип сети требует использования определенного числа как об щих, так и специальных типов пассивных устройств. Например, кабельные телевизионные сети широко используют разветвители.

WDM/DWDM сети используют широкую номенклатуру специальных пассивных устройств. Мы опишем их в соответствующей главе о WDM (гл.

8).

В этой главе мы в первую очередь опишем волоконно-оптические соединители (оптические разъемы) и неразъемные соединения (сростки).

Также будут рассмотрены следующие пассивные устройства:

- оптические разветвители, расщепители сигнала (сплиттеры), элементы разветвления потока;

- оптические изоляторы;

- волоконно-оптические фильтры;

- оптические аттенюаторы;

- оптические (пассивные) коммутаторы;

- пассивные компенсаторы (хроматической) дисперсии;

- оконечные (терминирующие) элементы.

Каждое устройство, используемое в схеме передачи светового сигнала, является источником вносимых потерь. Оно также будет источником отра жений, обычно характеризуемых потерями на отражение. Эти потери обычно измеряются в децибелах. За исключением аттенюаторов, хотелось бы иметь как можно более низкие вносимые потери и как можно более высокие потери на отражение (возвратные потери). Например, хочется иметь сростки с уровнем вносимых потерь меньше, чем 0,1 дБ, но с уровнем возвратных потерь больше, чем 40 дБ.

3.2. Основные определения 3.2.1. Элемент, ответвляющий поток (неселективный по отношению к длине волны) Ответвителем является неселективный пассивный элемент, обладающий тремя или более портами и распределяющий мощность между ними в определенном соотношении без какого-либо усиления, переключения или какой-то модуляции.

3.2.2. Оптический разветвитель (сплиттер — комбайнер) Термин разветвитель используется как синоним элемента ответвляющего поток. Он используется также для определения структуры, распределяющей оптическую мощность между двумя оптическими волокнами или между активным устройством и волокном.

3.2.3. Аттенюатор Аттенюатор - пассивный элемент, осуществляющий управляемое ослабление сигнала в волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП).

3.2.4. Волоконно-оптический фильтр Фильтр — пассивный элемент, используемый для модификации проходящего через него оптического излучения, как правило, за счет изменения спектрального распределения мощности. В частности, волоконно оптические фильтры обычно используют для отсечения или поглощения оптического излучения в определенных областях длин волн и пропускания излучения на других длинах волн.

3.2.5. Волоконно-оптический изолятор Изолятор — оптическое устройство, не обладающее свойством взаимности, предназначенное для подавления обратного отражения в ВОЛП и имеющее минимальные вносимые потери в прямом направлении.

3.2.6. Волоконно-оптический терминатор Терминатор (оконечный элемент) — элемент, используемый для терминирования оптоволокна (оконцованного или нет) с целью подавления отражения.

3.2.7. Волоконно-оптический переключатель (коммутатор) Переключатель (коммутатор) — пассивный элемент, имеющий один или больше портов, которые передают, блокируют или перенаправляют опти ческую мощность в одно из волокон ВОЛП.

3.2.8. Пассивный компенсатор (хроматической) дисперсии Компенсатор — пассивный элемент, используемый для компенсации хроматической дисперсии одного из оптических трактов.

3.2.9. Волоконно-оптический соединитель (оптический разъем) Оптический разъем — элемент, прикрепленный к одному из оптических кабелей или отдельной части оборудования для осуществления частых соединений/разъединений оптических волокон или кабелей.

3.2.10. Сращивание оптических волокон Сращивание — постоянное (неразъемное) или полупостоянное (разбираемое, с технологическим зазором) соединение между двумя оптическими волокнами, осуществляемое для объединения (в непрерывный канал передачи) их оптических потоков. Различают:

- сварное соединение: сращивание, при котором концы волокна соединяются в постоянное непрерывное соединение с помощью сварки;

- механическое соединение: сращивание, при котором концы волокна соединяются в постоянное (непрерывное или с технологическим зазором) соединение без помощи сварки.

3.3. Определение функциональных параметров (За основу взят стандарт ITU-T G.671, Раздел 3.2) 3.3.1. Вносимые потери (IL) Вносимые потери - уменьшение оптической мощности между входным и выходным портами пассивного элемента в дБ, определяемое как IL = -10log(P1 / P0) (3.1) где P0 — оптическая мощность, вводимая во входной порт, а P1 — оптическая мощность, полученная из выходного порта.

Замечание 1. Для волоконно-оптического элемента ветвления они соответствуют элементу аij (где i j) логарифмической матрицы передачи (см. 1.3.7 в IЕС 875-1).

Замечание 2. Для устройства WDM они соответствуют элементу аij (где i j) логарифмической матрицы передачи и должны быть определены для каждой рабочей длины волны.

Замечание 3. Для волоконно-оптического переключателя (коммутатора) они соответствуют элементу аij (где i j) логарифмической матрицы передачи и зависят от состояния переключателя (коммутатора) (см.

1.3.9 в IEC 876-1).

Замечание 4. Для волоконно-оптического фильтра они должны быть определены для каждого рабочего диапазона длин волн.

Вносимые потери являются отношением оптической мощности, подаваемой на входной порт соответствующего оптического устройства, к оптической мощности, излучаемой из любого выходного порта, выраженной в дБ. Вносимые потери включают такие параметры, как потери на разветвле ние, в случае разветвителей, для других устройств ветвления мы используем понятие дополнительные потери. Эти потери являются наиболее полезными параметрами при проектировании систем. Максимальные и минимальные вносимые потери являются соответственно верхним и нижним пределами вносимых потерь рассматриваемого устройства и применяются во всем диапазоне длин волн, определенном для данного фильтра. Под типичными вносимыми потерями понимается ожидаемое значение вносимых потерь, измеренное для определенной центральной длины волны. Институт IEEE (см.

[3.10]) определяет вносимые потери, как «полные потери оптической мощности, вызванные внесением/наличием такого оптического элемента, как оптический разъем, сросток или разветвитель».

3.3.2. Возвратные потери (RL) Возвратные потери — часть входной мощности, которая возвращается из входного порта пассивного элемента. Они определяются, как RL = -10log(Pr / Pi ) (3.2) где Pi — оптическая мощность, вводимая во входной порт, а Pr — оптическая мощность, полученная обратно из того же порта.

Замечание. Для определенности, величина возвратных потерь для волоконно-оптических устройств не учитывает вклад от возвратных потерь оптических разъемов, этот вклад рассматривается отдельно. См. также Замечания к разделу 3.3.1.

3.3.3. Отражательная способность Отражательная способность — отношение R отраженной мощности Pr к падающей мощности Pi, определенное для данного порта пассивного элемента при заданных условиях спектрального распределения, поляризации и геометрического распределения, выраженное в дБ, а именно:

R = -10log(Pr / Pi ) (3.3) При рассмотрении мощности, отраженной от отдельного элемента, отражательная способность является более предпочтительным параметром по сравнению с возвратными потерями. Для определенности, величина отра жательной способности волоконно-оптического устройства не включает вклад отражательной способности оптических разъемов, этот вклад рассматривается отдельно.

3.3.4. Предварительное обсуждение направленности, возвратных потерь и отражательной способности Направленность - отношение оптической мощности, вводимой во входной порт, к оптической мощности, возвращаемой от любого другого порта. Направленность рассматривается как характеристика изоляции, или перекрестной помехи, на ближнем конце. Возвратные потери являются отношением оптической мощности, вводимой во входной порт, к оптической мощности, которая возвращается из того же порта. Как направленность, так и возвратные потери, выражаются в дБ (они рассматриваются как положительные значения) и измеряются при условии оптического терминирования всех других портов. Отражательная способность фактически является возвратными потерями, взятыми с обратным знаком. Во многих случаях эти два понятия используются как синонимы. Минимальные направленность и возвратные потери являются теми нижними пределами, которые применяются во всем диапазоне длин волн, определенном для полосового фильтра.

3.3.5. Рабочий диапазон длин волн Это диапазон длин волн от i min до i max в пределах, задаваемых от номинального j, внутри которого пассивные элементы должны работать с определенными показателями ошибок.

Замечание 1. Для волоконно-оптических элементов ветвления, использующих более одного рабочего диапазона длин волн, соответствующие диапазоны длин волн не обязательно одинаковы.

Замечание 2. Элементы, такие как аттенюаторы, терминаторы, оптические разъемы и сростки, могут работать с определенными (или приемлемыми) показателями ошибок даже за пределами определенной для них области применения.

3.3.6. Потери, зависящие от поляризации (PDL) Эти потери соответствуют максимальной вариации вносимых потерь, вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой на множестве всех возможных состояний поляризации.

3.3.7. Зависимость отражательной способности от поляризации Эти потери соответствуют максимальной вариации отражательной способности, вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой на множестве всех возможных состояний поляризации.

3.3.8. Обратные потери (степень изоляции) волоконно-оптических изоляторов Обратные потери — мера уменьшения оптической мощности (в дБ), распространяющейся в обратном направлении, в результате установки изолятора. Излучающим портом здесь является выходной порт изолятора, а приемным портом - входной порт изолятора. Потери определяются следующей формулой:

BL =-10log Pob / Pib (3.4) ( ) где Pob — оптическая мощность, измеренная на входном порте изолятора, когда мощность Pib излучается в рабочий порт. При нормальной работе Pib оптическая мощность, отраженная от устройств, установленных на удален ном конце оптической линии, и направленная обратно так, что попадает в выходной порт изолятора, потери которого и измеряются.

3.3.9. Направленность Для волоконно-оптических элементов ветвления, направленность представлена значением aij — элемента логарифмической матрицы передачи между двумя изолированными портами.

3.3.10. Однородность Логарифмическая матрица передачи элементов ветвления может содержать определенный набор коэффициентов, который конечен и одинаков. В этом случае диапазон изменения этих коэффициентов аij (выраженный в дБ) именуется однородностью элементов ветвления.

3.3.11. Оптический порт Портом является вход оптического волокна или оптического разъема (присоединенного к оптическому элементу), используемый для ввода оптической мощности.

3.3.12. Матрица передачи волоконно-оптических устройств ветвления и WDM-устройств Оптические свойства волоконно-оптических устройств ветвления могут быть определены в терминах матрицы коэффициентов пп, где n число портов, а коэффициенты представляют часть мощности, передаваемой между назначенными портами. В общем случае матрица передачи Т имеет вид:

t11 t12. t1n....

T =.. tij.

t.. tnn n где tij - отношение оптической мощности Pij, передаваемой из порта j, к оптической мощности Рi, подаваемой на порт i. То есть, tij = Pij / Pi Замечание. В общем случае tij может зависеть от длины волны.

3.3.13. Коэффициент передачи волоконно-оптических устройств ветвления и WDM-устройств Коэффициентом передачи является элемент tij матрицы передачи.

3.3.14. Логарифмический коэффициент матрицы передачи волоконно-оптических устройств ветвления и WDM-устройств В общем случае логарифмическая матрица передачи имеет вид a11 a12. a1n....

A =.. aij.

a.. ann n где aij — коэффициент уменьшения оптической мощности (в дБ), выходящей из порта j, при единичной мощности, приложенной к порту i, то есть, aij =-10log tij ( ) где tij — коэффициент матрицы передачи (см. 1.3.6 в IEC 875-1).

3.3.15. Матрица передачи волоконно-оптических коммутаторов Оптические свойства волоконно-оптического коммутатора могут быть определены матрицей коэффициентов тп (где п — число портов).

Матрица Т отображает пути передачи в состоянии включено (передача в расчете на худший случай), а матрица Т0 — пути передачи в состоянии выключено (изоляция в расчете на худший случай) (см. 1.3.6 в IEC 876-1).

t11 t12. t1n....

T =.. tij.

t.. tnn n 0 0 t11 t12. t1n t0.. t2n T =.. tij.

.. tnn tn 3.3.16. Коэффициенты передачи волоконно-оптических коммутаторов Коэффициентом передачи является элемент tij или tij матрицы передачи. Каждый коэффициент tij определяет минимальную (в расчете на худший случай) часть мощности, переданную от порта i к порту j, для любого состояния, при условии, что путь ij включен. Каждый коэффициент tij определяет максимальную (в расчете на худший случай) часть мощности, переданную от порта i к порту j, для любого состояния, при условии, что путь ij выключен.

3.3.17. Логарифмическая матрица передачи волоконно-оптических коммутаторов В общем случае логарифмическая матрица передачи имеет вид:

a11 a12. a1n....

A =.. aij.

a.. ann n где аij — коэффициент уменьшения оптической мощности (в дБ), выходящей из порта j, при единичной мощности, приложенной к порту i, то есть, aij =-10log tij ( ) где tij — коэффициент матрицы передачи.

Аналогично, для состояния выключено, имеем aij =-10log tij.

( ) 3.3.18. Избыточные потери волоконно-оптических устройств ветвления Избыточные потери - это общая мощность, потерянная в устройствах ветвления, когда оптический сигнал подается в порт i. Они определяются как ELi =-10log t ij j где суммирование осуществляется только по тем значениям j, для которых i и j — проводящие порты. Для устройства ветвления с N входными портами будет существовать массив из N значений избыточных потерь, по одному значению для каждого входного порта i (см. 1.3.12 в IEC 875-1).

3.3.19. Коэффициент связи Для заданного входного порта i коэффициент связи является отношением светового потока на заданном выходном порту k к общему световому потоку со всех выходных портов. Он определяется так:

CRik = tik / t ij j где индексом j обозначены все функционирующие выходные порты (см.

1.3.14 в IEC 875-1).

3.3.20. Рабочая длина волны Это номинальная длина волны, на которой пассивный элемент должен (по проекту) работать с надлежащими показателями.

3.3.21. Матрица времен переключений волоконно-оптического коммутатора Матрица S является матрицей таких коэффициентов, что каждый элемент sij характеризует максимальное время переключения, требуемое для того, чтобы перевести путь ij из любого состояния в состояние включено или выключено (см. 1.3.21 в IEC 876-1).

s11 s12. s1n....

S =.. sij.

s.. snn n 3.4. Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон используются для соединения секций волокна (кабеля). Волоконно оптический кабель (ВОК) доставляется производителю работ на катушках с намотанным кабелем длиной 1-25 км. Для систем дальней связи, в отличие от сетей в офисе клиента, катушки состоят из сегментов кабеля (строительных длин), которые должны быть соединены вместе для создания рабочей системы. Для этой цели используются либо оптические разъемы, либо сращивание волокон.

Промышленная практика диктует (в хорошем смысле) использование оптических разъемов на обоих концах кабеля и сращивание для промежу точных секций. Причины такой практики в следующем:

- Сростки дают вносимые потери минимально на уровне 0,04 дБ на один сросток, тогда как оптические разъемы имеют большие вносимые поте ри. Кроме того, сростки обеспечивают определенное постоянство.

- Это вынуждает использовать оптические разъемы в тех местах, где мы ожидаем несколько или много соединений/разъединений, например, в коммутационных панелях или соединительных кроссах. Многие оптические разъемы сделаны для осуществления легкого сочленения (со единения/разъединения).

Возможность использования оптических разъемов должно рассматриваться там, где волокно стыкуется либо с пассивным, либо с активным устройством. Если мы хотим заменить устройство, то это значительно удобнее сделать при наличии оптического разъема, чем сростка.

3.4.1. Оптические разъемы На рынке существует большое количество специализированных оптических разъемов. Волоконно-оптические разъемы доступны в двух типоразмерах: разъемы стандартного размера и миниатюрные оптические разъемы. Существуют оптические разъемы, которые могут соединить как одно, так и несколько волокон.

Одни оптические разъемы могут быть спроектированы для соединений в полевых условиях, другие - для соединения в заводских условиях. К после дним типам относятся оптические разъемы для соединительных шнуров (пиг тейлов). Соединительный шнур — короткий по размеру одноволоконный кабель, присоединяемый обычно к устройствам типа: источник света или детектор светового сигнала. Другой конец такого шнура имеет оптический разъем, устанавливаемый производителем устройства. Если соединение про изводят в полевых условиях, необходимо предусмотреть ответную часть для такого типа разъема, установив ее на конце соединяемого волокна.

Оставшаяся часть материала главы будет сконцентрирована только на оптических разъемах, устанавливаемых в полевых условиях.

3.4.2.1. Конструкция оптических разъемов — общий случай.

Оптический разъем состоит из трех основных частей:

1. Наконечник - ферул.

2. Соединительная розетка.

3. Стягивающая гайка.

Вид типичного оптического разъема в сборке приведен на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Основная структура оптического разъема (с разрешения компании Tyco Electronics, Harrisbuig, PA, [3.1]).

Обычно оптический разъем состоит из оболочки, внутри которой расположен керамический наконечник (ферул) с прецизионным продольным концентрическим каналом. Оголенный отрезок волокна вставляется в канал наконечника и удерживается резиной или термоплавким клеем. Выступаю щий конец волокна затем скалывается и полируется заподлицо (плоское зеркальное полирование). Металлическая оболочка выравнивается и соеди няется встык с керамическим наконечником мягкой опрессовкой. Наиболее распространенный внешний диаметр наконечника — 2,5 мм, но в оптических разъемах с малым форм-фактором может использоваться наконечник диаметром 1,25 мм.

Для одномодового волокна точность выравнивания лучше, чем 0,1 мкм, а допуск на угловое выравнивание составляет 5°. Обычно рекомендуется кон тролировать вносимые потери установленного оптического разъема перед тем, как отправить его потребителю. Эти потери должны быть измерены по стандартной технологии измерений, а не с помощью оптического временного рефлектометра (OTDR). Возможно при этом потребуется проконтролировать возвратные потери с учетом интерфейса оптического разъема. Это можно сделать с помощью OTDR. Цель последних измерений - убедиться, что возвратные потери имеют порядок 40 дБ или лучше [3.2].

На рынке существует большое разнообразие типов оптических разъемов, каждый из них требует своей собственной процедуры сборки.

Однако, по крайней мере, два шага этой процедуры являются общими для них всех.

Во-первых, волокно закрепляется в оптическом разъеме с помощью эпоксидной смолы. Этот процесс важен с точки зрения обеспечения надежности оптического разъема. Эпоксидная смола минимизирует температурные перемещения волокна, позволяя осуществлять полировку торца без боязни повредить волокно, кроме того она предохраняет волокно от воздействия окружающей среды. И, наконец, она допускает очистку торцов от клея на последней стадии. Поэтому очень важно, чтобы эпоксидная смола присутствовала на всей длине отрезка голого волокна, вокруг буфера (там, где волокно входит в оптический разъем), а также вокруг кончика волокна, выступающего из наконечника (см. рис. 3.2).

Рис. 3.2. Применение эпоксидной смолы (перепечатано с разрешения ком пании Corning Cable Systems, [3.2], рис.7.4, с.7.4) Во-вторых, оптоволоконный торец на конце оптического разъема дол жен быть отполирован. Рекомендуется полирование типа физический кон такт (PC). Это означает, что концы волокон будут физически соприкасаться внутри адаптера оптического разъема, как если бы они находились под дав лением. Отсутствие полировки типа PC приводит к образованию воздушного зазора между волокнами и увеличению затухания. Описанное, показано на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Иллюстрация физического контакта (PC) в волоконно-оптическом разъеме (перепечатано с разрешения компании Corning Cable Systems, [3.2], рис.7.5, с.7.5) Существует несколько рекомендованных методов полирования, которые, как правило, зависят от материала наконечника. В общем случае, если материал наконечника очень твердый, например керамика, то, как правило, наконечник закруглен в районе торцевого конца и на него ссылаются как на предварительно закругленный. Мягкие материалы наконечника, такие, как композитные термопластики или стеклокерамика, могут полироваться плоско. Эти материалы изнашиваются примерно с такой же скоростью, что и оптоволокно, могут интенсивно полироваться и, тем не менее, поддерживать качество физического контакта.

Существуют несколько подходов в процессе подготовки волокна и оптического разъема к сборке. Торцевые концы волокна, которые оконцовываются оптическими разъемами, в настоящее время закругляются, вместо того, чтобы делать их плоскими и перпендикулярными.

Преимущество такого подхода в том, что свет не отражается непосредственно назад к источнику (так как угол отражения равен углу падения). Теперь он отражается назад под углом и, как правило, оказывается потерянным для волокна. Радиальная полировка сначала отсекает часть отраженного света, а затем направляет то, что отразилось, так, что оно никогда не достигает исходного источника излучения. Этот подход называется полировкой торца до уровня физического контакта. Другое преимущество подхода, использующего полировку закругленного конца до уровня физического контакта, в том, что волокна касаются наиболее выступающими точками, которые приходятся на среднюю часть светонесущей сердцевины. Пользователь убежден, что волокна касаются всегда и что воздушный зазор исключен [3.3].

Обратное отражение может быть снижено еще больше, если использо вать угловой физический контакт (АРС). Угловой контакт отражает свет в оболочку волокна, а не в сердцевину.

Возвратные потери оптического разъема должны быть, по крайней мере, 40 дБ. Другой важный параметр — число сочленений. Оно относится к числу соединений/разъединений, начиная с которого характеристики разъема станут ухудшаться. Это число, как показывает опыт, колеблется от 200 до 600 сочленений.

3.4.1.2. Типы оптических разъемов Оптический разъем типа ST. Этот тип разъема использует быстро сочленяемое байонетное соединение, которое требует повернуть разъем только на четверть оборота для осуществления соединения/разъединения.

Встроенный ключ обеспечивает хорошую повторяемость параметров соединения, потому что разъем будет всегда одинаково сочленен с соединительной втулкой. Разъем типа ST в настоящее время заменяется на более прогрессивный разъем типа SC. Уровень вносимых потерь разъема типа ST составляет 0,5 дБ.

Оптический разъем типа SC. Этот тип разъема широко используется как для одномодового, так и для многомодового волокна. Сокращение SC расшифровывается как «оптический разъем пользователя». Оно пришло из используемых ранее пользовательских приложений.

Разъем SC относится к классу разъемов общего пользования и применяется как в сетях с большой длиной секций, так и в сетях с внутриобъектовой прокладкой. Он использует «пушпульный» механизм сочленения. Разъем SC базового типа состоит из сборки (вилки), содержащей наконечник. Эта сборка вставляется в оболочку разъема, центрирующую наконечник. Одно из преимуществ разъема типа SC в том, что он может объединяться в секцию, состоящую из нескольких разъемов. В этом случае секция может использоваться для дуплексного соединения (одно волокно которого используется для передачи в прямом, а другое в обратном направлениях). Разъем имеет ключ, для предотвращения неправильного соединения. Вносимые потери такого разъема составляют 0,4 дБ и ниже.

Оптический разъем типа FC. Этот тип разъема был первоначально разработан в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone Company.

Он широко используется для одномодового волокна и имеет уровень вносимых потерь порядка 0,4 дБ.

Разъем типа FC имеет средства для настройки. Ключ настройки позволяет подстроить уровень вносимых потерь до нескольких десятых дБ.

После того, как позиция минимальных потерь найдена, ключ может быть зафиксирован. Разъем типа FC выпускается как для одномодового, так и для многомодового волокон.

Оптический разъем типа D4. Этот тип разъема особенно широко используется для одномодового волокна. Он во многих отношениях похож на разъем FC, но имеет наконечник меньшего диаметра — 2,0 мм. Вносимые потери разъема D4 составляют около 0,4 дБ.

Оптический разъем типа 568SC. Этот тип разъема обычно используется для внутриобъектовой прокладки. Его параметры соответствуют стандарту EIA/TIA-568, регламентирующему прокладку кабельных линий связи в коммерческих зданиях. По сути он представляет собой дуплексный вариант разъема типа SC. Разъем типа 568SC имеет механизм защелки, который позволяет осуществить сочленение легче, чем байонетный разъем типа SC. Кроме того, этот разъем имеет адаптер, который допускает использование как симплексного, так и дуплексного разъемов для организации симплексного или дуплексного соединений. Ожидаемый уровень вносимых потерь разъема 568SC составляет порядка 0,3 дБ.

Оптический разъем типа FDDI. Этот тип разъема в принципе спроектирован как двухканальное устройство, использует два керамических наконечника и механизм боковых защелок. Прочный кожух защищает наконечники от случайных повреждений, тогда как плавающий стык обеспечивает ему плотное сочленение без усилий. Различные типы ключей могут быть использованы в этом типе разъема, для того чтобы удовлетворить различным требованиям технологии FDDI. Ожидаемый уровень вносимых потерь составляет порядка 0,3 дБ для одномодовых приложений и порядка 0,5 дБ для многомодовых приложений. Разъемы типа FDDI могут использоваться и для других приложений. Напомним, что FDDI - технология локальных сетей, используемая для пакетной передачи данных со скоростью 100 Мбит/с (125 Мбод) в соответствии со стандартом ANSI.

Миниатюрные разъемы. Миниатюрные разъемы, называемые также разъемами с малым форм-фактором, имеют размеры примерно в два раза меньшие, чем их обычные стандартные варианты (например, SC, FC, ST), т.е.

диаметр наконечника составляет 1,25 мм, а не 2,5 мм, что позволяет реали зовать большую плотность упаковки на коммутационной панели и плотную схему упаковки на стойке. В табл. 3.1 приведены основные параметры четы рех наиболее известных миниатюрных разъемов.

Таблица 3. Сравнение параметров миниатюрных разъемов четырех типов.

LC MT-RJ SC-DC VF- Расстояние меж 6,25 0,75 0,75 4, ду волокнами, мм Число стержней 2 1 1 Материал керамика пластмасса пластмасса — стержня Выравнивание отверстие и центровочный направляющая и V-образная наконечник штырь и наконечник канавка наконечник Размер стержня, — 1,25 2,54,4 2, мм Трансивер, проход 11,1 мм 7,2 мм 11 мм 12,1 мм ширина, мм 5,7 5,7 7,5 длина, мм 14,6 14 12,7 Тип кабеля дуплексный дуплексный/ дуплексный/ GGP, покрытый ленточный ленточный полимером Область вилки заливка и предварительно предварительно — полировка полированный полированный выступ выступ Область розетки вилка+ вилка+ Вилка+ скол и разветвитель разветвитель и разветвитель полированная розетка розетка Защелка 2 типа RJ, типа RJ — на- типа SC - типа RJ - связанные верху пушпульные наверху сверху Замечание. Вносимые потери этих оптических разъемов изменяются в диапазоне от 0,3 до 0,6 дБ.

Источник. Performance Comparison of Small Form Factor Fiber-Optic Connectors. Jean Trewilla, IBM T.J. Watson Research Center, Yorktown Heights, NY, [3.12], c.l (с разрешения корпорации IBM).

3.4.2. Неразъемное соединение волокон Неразъемное соединение, или сросток, постоянно соединяет два волокна. Существуют два типа соединений (сростков):

1. Механическое соединение.

2. Сварное соединение.

Самое важное в процедуре формирования неразъемного соединения (или сращивания) — точно выровнять концы двух волокон перед их соединением. Хорошая полировка концов волокон и их очистка также важны при совершении этой процедуры.

3.4.2.1. Механическое соединение Механическое соединение — небольшой участок механически соединенного оптоволокна — сросток длиной 6 см и диаметром 1 см. Этот сросток осуществлен путем точного выравнивания двух концов волокон и их надежного постоянного механического соединения. Сросток закреплен с помощью быстросхватывающего покрытия или клеевой обвязки, или с использованием того и другого. Механические сростки допустимы как для организации постоянного, так и временного соединения. Вносимые потери за счет механического соединения обычно выше, чем сварного соединения, и имеют порядок 0,1 — 0,8 дБ.

Одномодовое волокно, учитывая небольшой размер его сердечника и, следовательно, малый диаметр поля моды, более чувствительно к ошибкам выравнивания волокна в месте сращивания. Следовательно, устройства ме ханического сращивания, способные обеспечить достижение приемлемых вносимых потерь в бюджет потерь одномодового волокна, стоят дороже, требуют больше времени для сращивания и могут потребовать затрат на капиталовложения, сравнимых с теми, что используются для сварки.

3.4.2.2. Соединение с помощью сварки Сварное соединение наиболее широко используется для постоянного соединения одномодового волокна. Получение хорошего сварного сростка значительно проще сейчас, учитывая постоянный прогресс сварочного оборудования, процедур и практики сварки, в дополнение к постоянному улучшению контроля за геометрией волокна в процессе производства. В результате, типичный диапазон достигаемых вносимых потерь составляет 0,04 - 0,1 дБ как для одномодовых, так и многомодовых волокон.

Качество сварного соединения. Два параметра влияют на качество сварного соединения: вносимые потери сростка и прочность на растяжение.

Для многомодового волокна, существуют факторы, зависящие от самого волокна, они включают несовпадение диаметров волокон, несовпадение чис ловых апертур, несовпадение показателей преломления и ошибки концент ричности сердцевины и оболочки. Концентричность показывает, насколько точно круг сердцевины вписывается в кольцо окружающей ее оболочки, т.е.

какова величина смещения центров обоих окружностей. Этот тип потерь может быть уменьшен путем использования техники сращивания, дающей возможность выровнять положение сердцевины волокон в месте соединения.

Из рис. 3.4 можно оценить основные теоретические потери на сращивание, вызванные их основными причинами: несовпадением диаметров волокон и числовых апертур.

Рис. 3.4. Характерные потери на сращивание, вызванные несовпадением ди аметров волокон и числовых апертур. (Перепечатано с разрешения компании Corning, Inc., AN103, [3.4], рис. 1) Следует отметить, что потери на сращивание являются направленными, по отношению к этим переменным (т.е. потери имеют место только, если оптический поток распространяется через сросток в направлении принимающего волокна, имеющего меньшие диаметр и апертуру). Потери на сращивание являются аддитивными, т.е. если сращиваются два многомодовых волокна, демонстрирующие несовпадение как в диаметрах сердцевины, так и в числовых апертурах, то их вклад в эти характерные потери является суммой этих двух потерь.

Рис. 3.5. Характерные потери на сращивание для одномодового волокна, вызванные несовпадением диаметров поля моды. (Перепечатано с раз решения компании Corning, Inc., AN103, [3.4], рис. 2, с. 3) Как видно из рис. 3.5, фактические потери на сращивание (среднее от потерь по двум направлениям) оказываются практически ненаправленными.

Другими словами, потери, зависящие от параметров волокна и рассмат риваемые в плане распространения света через сросток, не зависят от того с какой стороны сростка распространяется световой поток). Нужно иметь в виду, что эти потери достаточно малы для тех допусков на несовпадение MFD, которые декларируют производители. Например, эти потери можно оценить в худшем случае на уровне 0,04 дБ дополнительных потерь для во локна, имеющего MFD, равный 9,3±0,5 мкм, в соответствии со специфика цией. Существуют и другие дополнительные факторы, влияющие на меха ническое сращивание. Они включают расщепление концов волокна, загибание волокна на конце и отражение Френеля.

В случае одномодовых волокон без сдвига дисперсии доминирующим фактором является несовпадение диаметров поля моды (MFD) волокон. На рис. 3.5 можно оценить вклад в этот вид потерь за счет несовпадения MFD.

Существуют также факторы, сопутствующие процессу сращивания.

Они привносятся методами и процедурами сращивания. К ним относятся продольные и угловые смещения, загрязнение и деформация сердечника. Их влияние может быть сведено до минимума за счет использования опытных техников, оборудования для автоматического выравнивания волокна и нескольких циклов плавления при работе на более современном оборудовании.

Подготовка оптического кабеля для сращивания включает следующие этапы: зачистку волокна, очистку поверхности и формирование концевого угла волокна.

Оболочку волокна можно удалить различными способами, например, химически путем, использованием оборудования термической или механи ческой зачистки. Для типичного акрилатного покрытия волокна, компания Corning рекомендует механическую зачистку, как наиболее надежную, быс трую, дешевую и создающую четко определенные условия терминирования оболочки.

Очистка поверхности — очень важный этап. Любые остатки акрилатного покрытия после зачистки оболочки должны быть удалены с поверхности зачищенного участка волокна. Необходимо избегать любых операций по ручной обработке указанного участка волокна до тех пор, пока процесс сварки не будет окончательно завершен. Это позволит минимизировать шанс загрязнения волокна пылью или жирными пятнами с рук, которые могут вызвать дополнительные потери сростка и уменьшение его прочности на растяжение.

Один из основных моментов, влияющих на качество сростка при одном цикле плавления, является концевой угол. Поэтому надлежащее формирова ние концевого угла является одним из основных шагов в получении прием лемого сростка. Требования к концевому углу волокна могут меняться от пользователя к пользователю и от типа используемого скалывателя. В общем случае, однако, концевые углы волокна меньшие, чем два градуса, обычно приводят к приемлемым сварным сросткам. Можно ожидать, что хорошие типы скалывателей позволяют получить конечные углы волокна величиной в половину градуса.

Выравнивание волокна. Существуют блоки ручного и автоматического выравнивания волокна при сварке. Сначала оператор помещает очищенные и сколотые волокна в блоки выравнивания и/или другие механизмы фиксации волокна в устройстве сращивания. После этого волокна выравниваются визуально путем перемещения их в направлении координат X-Y. Визуальное выравнивание требует поддержания минимального возможного зазора между волокнами, чтобы уменьшить видимые ошибки, которые возможны при ручном выравнивании краев волокон, проводимом при увеличении.

В случае автоматического выравнивания, начальное выравнивание со стоит лишь в помещении концов волокон в зажимы V-образных канавок.

Блок выравнивания сам выравнивает волокна.

Существует пять возможных альтернатив для окончательного выравни вания сердцевины волокон:

1. Мониторинг мощности (светового потока), используя источник и приемник света.

2. Использование для такого мониторинга оптического рефлектометра (OTDR).

3. Использование техники локального ввода и обнаружения (LID) (светового излучения).

4. Использование техники выравнивания профилей.

5. Пассивное выравнивание V-образных канавок.

Техника мониторинга мощности потока основана на оптимальном вы равнивании волокон по уровню мощности, переданной через точку сра щивания. Источник света при этом подсоединяется к входному концу одного из волокон, подлежащему сварке. Световой сигнал проходит через контакт волокон и его уровень считывается на измерителе мощности, под соединенном к выходному концу. Выравнивание достигается перемещением волокон в направлении X-Y до тех пор, пока не будет достигнут максимум считываемой мощности. При этом способе выравнивания требуются два человека. Один — считывает показания приемника, тогда как другой (на некотором удалении от него) — оперирует с волокнами, подлежащими сварке. Этот метод дает возможность улучшить визуальное выравнивание, так как позволяет оптимально выровнять сердцевины волокон, а не оболочки.

В методе, описанном выше, вместо измерителя мощности может быть использован оптический рефлектометр (OTDR). Следует заметить, что вы равнивание с использованием OTDR, зависит от возможности обеспечить в реальном времени отображение уровня мощности для осуществления ее оптимизации.

Многие устройства сращивания используют систему локального ввода и обнаружения светового излучения (LID). Это еще одна система выравнива ния по уровню мощности, но сформированная на месте сварки. Она исклю чает необходимость удаленного (на определенное расстояние) мониторинга уровня мощности. В этой системе волокна, расположенные по обе стороны от точки сварки, загибаются вокруг цилиндрических оправок, которые дос таточно малы, чтобы позволить осуществить ввод (в точка входа) и вывод (в точке выхода) светового излучения через оболочку волокон.

Системы выравнивания профиля формируют изображение места сварки, чтобы дать возможность техникам надлежащим образом выровнять два волокна для сварки. Коллимированный пучок направляется под прямым углом к оси свариваемых волокон в место сварки. Это создает образ волокна, которое должно быть выровнено. Один из специальных типов устройств выравнивания создает сгенерированный компьютером образ центральной линии сердечников, к которому компьютер и приводит два волокна перед тем, как осуществить сварку.

Другая система выравнивания профиля выполняет процедуру выравни вания, используя профиль оболочки волокна. Нужно иметь ввиду, что каче ство выравнивания при этом во многом зависит от концентричности системы сердечник-оболочка. При использовании пассивного выравнивания V образных канавок само выравнивание волокна является результатом точного соответствия V-образных канавок, диаметра оболочки волокна и кон центричности системы сердцевина-оболочка.

Процедура сварки. Процесс сварки использует электрическую дугу для разогрева и сваривания. Некоторые техники используют один или несколько коротких включений тока дуги для того, чтобы удалить любые возможные загрязнения из волокна в месте сварки перед началом сварки.

Следующим шагом является предварительная сварка. Этот процесс со стоит в нагревании волокна для размягчения его соединяемых концов. Пред варительная сварка осуществляется для того, чтобы концы волокна были при температуре, оптимальной в процессе последнего шага сварки, что дает возможность материалу волокон течь навстречу друг друга вплоть до момен та физического контакта. Если температура на стадии предварительной сварки слишком велика, то может возникнуть излишняя деформация концов волокон, что в свою очередь приведет к изменению геометрии стекла. Если же эта температура слишком мала, то может возникнуть механическая деформация концов волокон. В этом случае может произойти выпучивание волокна в тот момент, когда на последней стадии сварки на концы волокон будут действовать силы, стягивающие их.

Оптимальная подготовка к сращиванию включает установку тока дуги и ее длительности, установку длины зазора и перекрытия шагов предвари тельной и окончательной сварки. Эти установки должны быть определены (экспериментально) на основании результатов последовательности сварок.

Качество сварки включает два основных параметра, как это отмечалось выше, а именно: прочность волокна на растяжение и потери, вносимые в месте сварки. Некоторые устройства сращивания имеют возможность осу ществлять тесты на растяжение. Опытные техники знают, как осуществить такое испытание вручную, чтобы простыми средствами оценить прочность на растяжение.

Потери на сращивание могут быть проконтролированы с помощью уда ленного OTDR или измерителя мощности аналогично тому, как это делалось выше для выравнивания волокна. Точные измерения потерь сростка с помощью OTDR требуют усредненных двунаправленных измерений. (Раздел 3.4.2.2 основан на документе компании Corning - AN 103 (6/99) [3.4]) 3.5. Волоконно-оптические элементы ветвления потока, или разветвители 3.5.1. Введение Элементы ветвления потока либо разделяют световой поток на несколько путей (направлений), либо, наоборот, соединяют несколько световых потоков в один путь (направление). Некоторые из этих устройств, которые выполняют эту функцию, называют разветвителями (couplers).

Ниже перечислены различные типы таких устройств и кратко описаны выполняемые ими функции.

Комбайнер (combiner) — устройство, обычно имеющее один выходной порт и два или больше входных портов. Он может быть использован для осуществления как однонаправленных, так и двунаправленных операций.

Сплиттер (splitter) - устройство, имеющее обычно один входной порт и несколько выходных портов. Он может быть использован для двунаправ ленной передачи или для распределения потока на два или большее число устройств или конечных пользователей.

Древовидный разветвитель (tree coupler) — устройство, принимающее поток (сигнал) на один вход и распределяющее его несколько выходов и на оборот. Как правило оно используется для распределения сигнала от одного источника ко многим пользователям.

Звездообразный разветвитель (star coupler) - многопортовое устройство, имеющее, по крайней мере, два входных порта и два или более выходных портов. Оно может распределять или объединять сигналы с множества входных портов в один выходной порт, или принимать световой сигнал и распределять его на множество выходных портов.

Широкополосный разветвитель (или же разветвитель, нечувствительный к длине волны) — устройство, работающее в двух окнах прозрачности: 1310 и 1550 нм. Соответственно все аналогичные элементы ветвления должны иметь возможность работать в этих двух окнах. Другая желаемая особенность таких элементов ветвления — быть невосприимчивым к изменению рабочих длин волн внутри одного окна. Другими словами, вносимые потери должны быть одинаковы для любой длины волны в одном из окон.

Разветвитель доступа, или ответвитель (tap) — трех или четырехпортовое устройство ответвления для облегчения осуществления функций ввода-вывода обычно с малым уровнем оптической мощности. Его коэффициент ответвления в высшей степени неоднороден. Этот тип устройств может быть использован в гибридных (медь-волокно — HFC) кабельных сетях, для мониторинга статуса линии и для мультиплексоров ввода вывода.

Мультиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны — устройства ветвления формально ничем не отличающиеся от разветвителей.

Эти устройства распределяют световой сигнал в зависимости от длины волны. Мультиплексор используется для передачи нескольких световых сигналов (каждый на своей длине волны) по одному волокну.

Демультиплексор принимает агрегированный световой сигнал, распространяющийся по одному волокну и разделяет его на несколько компонентов в зависимости от длины волны так, что каждая компонента направляется в отдельное волокно.

Компоненты ветвления светового потока находят широкое применение в локальных сетях, где средой передачи является оптоволокно. Разветвители обеспечивают двунаправленную передачу между магистральным ВОК и станцией ЛВС. Разветвители нашли также применение в широкополосных беспроводных радиосетях, называемых локальными системами многоточечного распределения (LMDS). В этих сетях они подключают оптоволоконную магистраль к узлу LMDS, который содержит мультиплексор ввода-вывода, устройство управления доступом и радиотерминалы.

Разветвители также широко используются в оптических коммутаторах.

3.5.2. Концепции разветвителей/элементов ветвления Рассмотрим рис. 3.6. Он показывает, что может произойти, если мы помес тим два отрезка оптоволокна, контактирующих бок о бок, в открытый огонь и превратим их сплавной разветвитель с биконический отводами. Внутри каждого волокна существует длинная секция ответвлений, затем однородная секция длины Z, где они сплавляются (свариваются), а затем еще одна секция ответвлений, с направленным обратно по отношению к первой, кросс соединением двух отдельных волокон.

Рис. 3.6. Схематичное изображение сплавного биконического разветвителя.

Обратите внимание, что в области связи длиной Z сердцевины сжаты и поле «выдавливается в воздушную оболочку».

Эти ответвления достаточно плавные, так что только незначительная часть энергии падающая из любого порта, расположенного слева, отражается назад в любой из портов, расположенных справа. По этой причине указанные устройства часто называют направленными разветвителями.

Используя эту технологию, можно сделать ряд разветвителей, основан ных на том, что уровень мощности, перешедшей из одного волокна в другое, может быть изменен путем изменения следующих параметров: Z— длины области связи, через которую осуществляется взаимодействие двух полей;

а - радиуса сердцевины в области связи;

а - разности радиусов сердцевин в области связи. Созданные на базе этой концепции различные типы раз ветвителей будут описаны ниже.

Моды низкого порядка продолжают существовать в исходном волокне до тех пор, пока угол падения остается больше критического угла. На выходе оболочечные моды конвертируются обратно в моды сердцевины. При этом коэффициент раветвления определяется длиной разветвителя (в нашем слу чае — Z, см. рис. 3.6) и толщиной оболочки.

Типичный вариант разветвления мощности в этом случае может быть 50:50, когда одна половина мощности идет на один выходной порт, а другая - на другой. При первом (грубом) варианте анализа выходной мощности разветвителя дает следующее. Допустим, что уровень мощности входного сигнала равен —10 дБм, тогда на каждом из выходов мы, казалось бы, долж ны получить уровень —13 дБм, что выглядит логично. Однако мы забыли про вносимые потери. Это те внутренние потери, которые вносит сам раз ветвитель за счет рассеивания мощности внутри него самого. Типичное зна чение таких потерь — 0,7 дБ. Следовательно, уровень мощности на выходах разветвителя составит —13,7 дБм. Этот тип разветвителя мощности является частью основного класса разветвителей, базирующихся на концепции сплав ного разветвителя с биконическими отводами, описанного выше. Многие типы разветвителей могут быть сделаны на основе такого разветвителя, как разветвитель мощности, показанный на рис. 3.7: комбайнеры, Y-переходы, звездообразные разветвители, направленные разветвители и т.д.

Рис. 3.7. Разветвитель на основе многомодового волокна. (С разрешения компании Australien Photonics CRC, взято из Интернет, [3.5]) Рис. 3.8. Оптический разветвитель на основе одномодового волокна. (С раз решения компании Australien Photonics CRC, взято из Интернет, [3.5]) На рис. 3.8 показан разветвитель, который работает с одномодовым во локном, но является зависимым от используемой длины волны. Когда два разветвителя в варианте с биконическими отводами находятся в тесном кон такте друг с другом, как на рис. 3.8, возникает резонансное явление. Свето вой поток волокна А захватывается сердечником волокна В. Уровень мощ ности, переданный в волокна В и А, зависит от длины области связи.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.