Проект высокоскоростной локальной вычислительной сети предприятия

мкм; числовая апертура вводимого излучения 0,20; полная ширина спектра

излучения ( 10 нм, измеренная на полумаксимуме; измеряемый диапазон длин

волн от 1000 нм до 1600 нм с шагом 10 нм.

При измерении длины волны отсечки волокна (CF образец волокна должен

иметь длину 2 м и располагаться таким образом, чтобы образовывалась одна

петля радиусом 140 мм, рис 4.2а. Не должно быть дополнительных изгибов

волокна с радиусом, меньшим 140 мм. Экспериментально измеренная длина волны

отсечки волокна близка к теоритическому значению, которое можно получить из

критерия (4-7), если обратить его в равенство.

При измерении кабельной длины волны отсечки (CСF тестируемый образец

волокна должен иметь длину 22 м. Большая часть волокна свертывается и

располагается на катушке с радиусом не меньше, чем 140 мм, что моделирует

кабельные эффекты. Затем делается по одной петле диаметром 76 мм на

расстоянии 1м от каждого конца волокна для моделирования эффекта изгиба

волокна в сплайс-боксах, рис. 4.2б. И, наконец, в средней части делаются

две дополнительные петли радиусом, меньшим 140 мм.

а)

б)

Рис.4.2. Размещение волокна.

а) при определении (СF ; б) при определении (CСF

Затухание.

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и

дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия

распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между

регенерационными участками или повторителями.

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на

поглащении; потери на рассеянии; кабельные потери.

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными

потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также

дополнительными потерями, рис. 4.3.

Рис. 4.3. Основные типы потерь в волокне.

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

суммы:

(=(int+(rad=(abs+(sct+(rad (4-12)

Потери на поглощении (abs состоят как из собственных потерь в кварцевом

стекле (ультрафиолетовое и ультракрасное поглощение), так и из потерь,

связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости

от типа примесей, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси)

длинах волн и рассеивают поглощенную световую енергию в виде джоулевого

тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на

кривой потерь, рис 2.7. Следует отметить характерный максимум в районе

длины волны 1480 нм, который соответствует примесям ОН- . Этот пик

присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших

потерь практически не используется.

Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в

ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше

1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста

потерь, связанных с инфракрасным поглощением, рис. 4.4.

Потери на рассеянии (sct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое

волокно становится настолько чистым (99,9999 %), что наличие примесей

перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны

800 нм затухание составило 1,5 дБ/км . Дальнейшему уменьшению затухания

препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское

рассеяние света вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба

в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных

направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти

неоднородности неизбежно появляются во время изготовлении волокна.

Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону (-4 и

сильней проявляются в области коротких длин волн, рис 4.4.

Рис.4.4. Факторы, влияющие на затухание в области длины волны 1500 нм

(по материалам фирмы Corning Optical Fiber)

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания

чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным

компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и

инфракрасного поглощения.

Внутренние потери хорошо интерполируются формулой: [pic],.где (ОН(()

отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и

последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию и инфракрасному

поглощению соответственно ( Кrel=0,8мкм4дБ/км; С=0,9дБ/км; k=0,7-0,9мкм;

данные приведены для кварца). На рис 4.5. приводится общий вид спектральной

зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех

основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850,

1300 и 1550 нм, и пик поглощения на длине волны 1480 нм) для современных

одномодовых и многомодовых волокон.

Рис. 4.5. Собственные потери в оптическом волокне.

Кабельные (радиационные потери) (rad обусловлены скруткой, деформациями и

изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек,

а также в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля

номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20%

от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если

радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба,

указанного в спецификации на ВОК.

Дисперсия и полоса пропускания.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также

полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых

определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются.

При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что

становится невозможным их выделение при приеме.

Дисперсия[1] - уширение импульсов – имеет размерность времени и

определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и

входе кабеля длины L по формуле [pic]. Обычно дисперсия нормируется в

расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае

характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

. различие скоростей распространения направляемых мод (межмодовой

дисперсией (mod),

. направляющими свойствами световодной структуры (волноводной

дисперсией (w),

. свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией

(mat).

Рис. 4.6. Виды дисперсии.

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно

передать по волокну. Результирующая дисперсия ( определяется из формулы:

[pic] (4-13)

Межмодовая дисперсия.

Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости

распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне. Для

ступенчатого многомодового волокна и градиентного многомодового волокна с

параболическим профилем показателя преломления ее можно вычислить

соответственно по формулам:

[pic], [pic][pic], (4-14), (4-15)

где Lс – длина межмодовой связи (для ступенчатого волокна порядка 5 км,

для градиентного – порядка 10 км).

Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с

неоднородностями, которые есть в реальном волокне. Эти неоднородности

приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри

них. При L>Lc наступает установившейся режим, когда все моды в определенной

установившейся пропорции присутствуют в излучении. Обычно длины линий связи

между активными устройствами при использовании многомодового волокна не

превосходят 2 км и значительно меньше длины межмодовой связи. Поэтому можно

пользоваться линейным законом дисперсии.

Вследствие квадратичной зависимости от ( значения межмодовой дисперсии у

градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает

более предпочтительным использование градиентного многомодового волокна в

линиях связи.

На практике, особенно при описании многомодового волокна, чаще пользуются

термином полоса пропускания. При расчете полосы пропускания W можно

воспользоваться формулой :

W=0,44/( (4-16)

Измеряется полоса пропускания в МГц км. Из определения полосы пропускания

видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и

верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W – это

максимальная частота (частота модуляции) передаваемого сигнала при длине

линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса

пропускания зависит от расстояния обратно пропорционально.

Хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной

составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в

многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в

одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления

волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна

входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

[pic] (4-17)

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента

распространения моды от длины волны:

[pic], (4-18)

где ведены коэффициенты М(() и N(() удельные материальная и волноводная

дисперсии соответственно, а (( (нм) – уширение длины волны вследствие

некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента

удельной хроматической дисперсии определяется как D(()=М(()+N((). Удельная

дисперсия имеет размерность пс/(нм км). Если коэффициент волноводной

дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может

быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то,

что при определенной длине волны (примерно 1310(10 нм для ступенчатого

одномодового волокна) происходит взаимная компенсация М(() и В, а

результирующая дисперсия D(() обращается в ноль. Длина волны, при которой

это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии (0. Обычно

указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может

варьироваться (0 для данного конкретного волокна.

Фирма Corning использует следующий метод определения удельной

хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении

коротких импульсов света в волокне длиной не меньше 1 км. После получения

выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600

нм для MMF, 1200-1600 для SF и DSF) делается повторная выборка измерения

задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне

(длина 2 м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из

соответствующих времен, полученных на длинном волокне.

Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна

используется эмпирическая формула Селмейера: ((()=А+В(2+С(-2. Коэффициенты

А,В,С являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные

точки лучше ложились на кривую (((). Тогда удельная монохроматическая

дисперсия вычисляется по формуле:

[pic] (4-19)

где (0=(С/В)1/4 – длина волны нулевой дисперсии, новый параметр S0=8B –

наклон нулевой дисперсии (размерность пс/(нм2 км), а ( - рабочая длина

волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

Для волокна со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных

задержек записывается в виде ((()=А+В(+С(ln(, а соответствующая удельная

дисперсия определяется как

[pic] (4-19)

со значениями параметров (0=е-(1+В/С) и S0=C/(0, где ( - рабочая длина

волны, (0 – длина волны нулевой дисперсии, и S0 – наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией

простым соотношением (chr(()=D(()((, где (( - ширина спектра излучения

источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более

когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков ((((2 нм),

и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой

дисперсии. В табл. 4.3. представлены дисперсионные свойства различных

оптических волокон.

Табл. 4.3. Дисперсия оптических сигналов в различных оптических волокнах.

|Тип |(, нм |Межмодовая |Удельная |Результирующая удельная полоса |

|волокна| |дисперсия, |хроматическая|пропускания, МГц км, W=0,44/( |

| | |пс/км |дисперсия, |[pic] |

| | |(mod |пс/(нм км) | |

| | | |D(() | |

| | | | |((=2 нм |((=4 нм |((=35 нм |

|MMF |850 |4141) |99,63) |958 |766 |125 |

|50/125 | | | | | | |

| |1310 |414 |1,0 |1062 |1062 |1050 |

| |1550 |414 |19,2 |1058 |1044 |540 |

|MMF |850 |9732) |106,74) |441 |414 |114 |

|62,5/12| | | | | | |

|5 | | | | | | |

| |1310 |973 |4,2 |452 |452 |450 |

| |1550 |973 |17,3 |451 |450 |384 |

|SF |1310 |0 |120000 |61000 |6900 |

|8/125 | | | | | | |

| |1550 |0 |17,5 |12600 |6300 |720 |

|DSF |1310 |0 |21,26) |10400 |5200 |594 |

|8/125 | | | | | | |

| |1550 |0 |120000 |6500 |7400 |

1100) – на основе формулы (4-14), (=0,013, n1=1,47

2) – на основе формулы (4-14), (=0,02, n1=1,46

3) – на основе формулы (4-19), (0=1297(1316 нм, S0(0,101 пс/(нм2 км)

4) – на основе формулы (4-19), (0=1322(1354 нм, S0(0,097 пс/(нм2 км)

5) – на основе формулы (4-19), (0=1301,5(1321,5 нм, S0(0,092 пс/(нм2 км)

6) – на основе формулы (4-19), (0=1535(1565 нм, S0(0,085 пс/(нм2 км)

Технические характеристики взяты у волокон, производимых фирмой Corning

Для того, чтобы при передаче сигнала сохранялось его приемлемое качество

– соотношение сигнал/шум было не ниже определенного значения-необходимо,

чтобы полоса пропускания волокна на длине волны передачи превосходила

частоту модуляции. Ниже приводятся пример расчета допустимой длины сегмента

с использованием табл. 4.3.

Расчет: Стандарт Fast Ethernet для многомодового волокна. Оптический

интерфейс 100Base-FX предполагает кодировку 4В/5В с частотой модуляции 125

МГц. При использовании светодиодов с ((=35 нм (1310 нм) удельная полоса

пропускания для волокна 62,5/125 составляет 450 МГц км, и при длине

оптического сегмента 2 км будет 225, что больше 125 МГц, то есть с точки

зрения дисперсии, протяженность в 2 км является допустимой, что находится в

полном соответствии со стандартом Fast Ethernet на многомодовое волокно.

Слабая зависимость полосы пропускания многомодового волокна (например

62,5/125) от спектральной ширины источника излучения, работающего на длине

волны 1310 нм (450 МГц км при ((=35 нм, и 452 МГц км при ((=2 нм),

объясняется незначительной долей хроматической дисперсией по сравнению с

межмодовой в силу близости рабочей длины волны к длине волны нулевой

дисперсии. Таким образом, технические требования к спектральной полосе

оптических передатчиков для работы по многомодовому волокну на длине 1310

нм обычно слабые.

Градиентное многомодовое волокно.

Широко используются два стандарта многомодового градиентного волокна –

62,5/125 и 50/125, отличающиеся профилем сердцевины, рис. 4.7.а.

Соответствующие спектральные потери для типичных волокон показаны на рис.

4.7.б.

В табл. 4.4. приведены основные характеристики многомодовых градиентных

волокон двух основных стандартов 50/125 и 62,5/125.

Отметим, что полоса пропускания на длине волны 1300 нм превосходит

соответствующее значение на длине волны 850 нм. Это объясняется следующим

образом. Дисперсия, которая определяет полосу пропускания, состоит из

межмодовой и хроматической составляющих.

Рис.4.7.а. Многомодовые градиентные волокна; профили показателей

преломления волокон 50/125 и 62,5/125/

[pic]

Рис.4.7.б. Многомодовые градиентные волокна; характерные кривые

спектральных потерь мощности.

Таблица 4.4. Значения параметров градиентных многомодовых волокон.

|Параметры |Градиентно многомодовое |

| |волокно |

| |MMF 50/125 |MMF 62,5/125|

|Номинальное затухание на длине волны 850 нм |(2,4 |(2,8 |

|(дБ/км) | | |

|Номинальное затухание на длине волны 1300 нм |(0,5 |(0,6 |

|(дБ/км) | | |

|Максимальное затухание на длине волны 850 нм |(2,5 |(3,0 |

|(дБ/км) | | |

|Максимальное затухание на длине волны 1300 нм|(0,8 |(0,7 |

|(дБ/км) | | |

|Полоса пропускания на длине волны 850 нм (МГц|(400 |(200 |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11