Устройство световода показано на рисунке. Внутренняя часть световода называется сердцевиной (core, иногда переводят как «ядро»), внешняя — оптической оболочкой волокна, или просто оболочкой (cladding). В зависимости от траекторий распространения света различают одномодовое и многомодовое волокно. Многомодовое волокно (multi mode fiber, MMF) имеет довольно большой диаметр сердцевины -- 50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм или 100 мкм при оболочке 140 мкм. Одномодовое волокно (single mode fiber, SMF) имеет диаметр сердцевины 8 или 9,5 мкм при том же диаметре оболочки. Снаружи оболочка имеет защитное покрытие (coating) толщиной 60 мкм, называемое также защитной оболочкой. Световод (сердцевина в оболочке) с защитным покрытием называется оптическим волокном. Оптоволокно в первую очередь характеризуется диаметрами сердцевины и оболочки, эти размеры в микрометрах записываются . через дробь: 50/125, 62,5/125, 100/140, 8/125, 9,5/125 мкм. Наружный диаметр волокна (с покрытием) тоже стандартизован, в телекоммуникациях в основном используются волокна с диаметром 250 мкм. Применяются такие и волокна с буферным покрытием, или просто буфером (butler), диаметром 900 мкм, нанесенным на первичное 250-мкм покрытие. Рассмотрим распространение света в волокне. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в него под углом не более некоторого критического относительно оси волокна, то есть попадать в воображаемый входной: конус. Синус этого критического угла называется числовой апертурой световода NA и определяется через абсолютные показатели преломления слоев по формуле В многомодовом волокне показатели преломления сердцевины nc и оболочки nоб - различаются всего на 1-1,5 % (например, nc: nоб = 1,515 : 1,50). При этом апертура NA=0,2-0,3, и угол, под которым луч может войти в световод, не превышает 12-18° от оси. В одномодовом волокне показатели преломления различаются еще меньше (nc : nоб = 1,505 : 1,50), апертура NA=0,122 и угол не превышает 7° от оси. Чем больше апертура, тем легче ввести луч в волокно, по при этом увеличивается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания (см. ниже). Числовая апертура характеризует все компоненты оптического капала — световоды, источники и приемники излучения. Для минимизации потерь энергии апертуры соединяемых элементов должны быть согласованными друг с другом.
Строго говоря, распространение сигнала в оптоволокне описывается уравнениями Максвелла. Возможные решения уравнении Максвелла соответствуют различным световым модам. В большинстве случаев можно пользоваться приближением геометрической оптики. Если рассматривать распространение сигнала с позиций геометрической оптики, то световые лучи, входящие под различными углами, будут распространяться по разным траекториям. Более высоким модам соответствуют лучи, входящие под большим углом, — они будут иметь большее число внутренних отражений по пути в световоде и будут проходить более длинный путь. Число мод для конкретного световода зависит от его конструкции — показателей преломления и диаметров сердцевины и оболочки — и длины волны. Световой импульс, проходя по волокну, из-за явления дисперсии изменит свою форму — «размажется». Дисперсия бывает трех видов: модовая, молекулярная и волноводная.
Модовая дисперсия (modal dispersion) в многомодовом волокне возникает из-за разности длин путей, проходимых лучами различных мод. Эта дисперсия определяется как разность времени прохождения единицы длины волокна различными модами, для нее типичны значения 15-30 нс/км для волокна со ступенчатым профилем. Ее можно уменьшать, сокращая количество мод — уменьшая диаметр сердцевины (в пределе до одномодового). Кроме того, эту дисперсию уменьшает применение градиентного профиля показателя преломления. Как видно на рисунке, применение сердцевины с градиентным изменением показателя преломления в многомодовом волокне позволяет уменьшить количество мод, а следовательно, и уменьшить искажение выходного импульса. Кроме того, лучи, идущие по длинным траекториям, значительную часть пути проходят по среде с меньшей плотностью — их скорость больше, и приходят они почти одновременно с лучами более коротких траекторий.
Спектральная дисперсия, называемая также молекулярной или материальной, вызвана тем, что волны с разной длиной распространяются в одной и той же среде с различной скоростью, что обусловлено особенностями молекулярной структуры. Поскольку источник излучает не одну волну, а спектр (пусть и узкий), лучи различной длины волны будут достигать приемника не одновременно. В области около 850 нм более короткие волны по световоду движутся медленнее, чем более длинные. В области 1550 нм ситуация обратная. В области около 1300 нм дисперсия нулевая. Молекулярная дисперсия определяется как разность времени прохождения но волокну излучения различных длин волн, отнесенная к разности длин этих волн и длине волокна (единица измерения — пс/нм/км). Молекулярная дисперсия существенна для одномодового волокна (в многомодовом ее влияние малозаметно). Снизить ее влияние можно уменьшением ширины полосы излучения источника и выбором оптимальной длины волны.
Волноводная дисперсия, актуальная для одномодового волокна, обусловлена разностью скоростей распространения волн по сердцевине и оболочке.
В одномодовом волокне, кроме ступенчатого профиля показателей преломления, применяют и более сложные: W-образный двухступенчатый с депрессированной двойной оболочкой и треугольный, — наиболее эффективно подавляющие паразитные моды. Этим достигается снижение влияния дисперсии на форму передаваемого сигнала, за что такое волокно называют True wave — истинная волна.
Режим передачи — одномодовый или многомодовый — определяется способом ввода света в волокно (инжекции), конструкцией волокна и длиной волны источника. Ввод света для одномодового режима должен осуществляться узким лучом точно вдоль оси волокна, здесь в качестве источника можно использовать только лазер. Для многомодовой передачи может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности. Передача в одномодовом режиме возможна лишь при длине волны, превышающей некоторое пороговое значение (cut-off wavelength). Эта пороговая длина волны определяется конструкцией волокна (диаметром сердцевины). Волокно для одномодовой передачи на длине волны 1300 нм имеет пороговую длину волны около 1200 мкм. Следовательно, в таком волокне на длине волны 850 нм одномодовая передача невозможна. При одномодовой передаче луч передается и по внутренней части оболочки, поэтому ее прозрачность, как и прозрачность сердцевины, влияет на затухание сигнала. Здесь световой луч характеризуется диаметром модового пятна — области сечения волокна, через которую он распространяется (больше, чем сердцевина). В многомодовом волокне через оболочку свет не идет, так что ее прозрачность несущественна.
При работе лазерного источника на многомодовое волокно при некоторых условиях на неоднородностях среды луч может расщепиться на несколько мод, распространяющихся по сильно различающимся траекториям. Этот эффект дифференциальной модовой задержки, DMD (Differential Mode Delay), приводит к дрожанию (jitter) сигнала на приемном конце, степень которой зависит от длины волокна. Эффект DMD по действию напоминает модовую дисперсию. Влияние DMD для волокна с градиентным профилем показателя преломления можно ослабить, если луч вводить не точно по центру сердцевины, а со смещением от оси на 10—15 мкм. Смещение осуществляется либо в передатчике, либо в специальном переходном шнуре МСР (media conditioning patch-cord).
Для мпогомодового волокна существует понятие равновесного распределения мод — РРМ, ему соответствует английский термин EMD (equilibrium mode distribution). Эффективность переноса энергии в разных модах различна — потери в высоких модах больше потерь в низких. В реальных волокнах из-за изгибов и неоднородностей по мере движения свет может переходить из одной моды в другую. В переполненном волокне в переносе энергии участвуют и неэффективные моды. В ненаполиеином волокне используются только моды низких порядков. Изначально модовое распределение определяется источником света: светодиод обычно переполняет волокно, лазер не наполняет волокно. По мере удаления от источника, переполняющего волокно, наступает состояние равновесного распределения мод (РРМ), и дальше переходов не происходит. Интересно то, что до наступления равновесия погонное затухание пропорционально длине волокна, а после наступления — пропорционально квадратному корню из длины. Для стеклянного волокна РРМ наступает на расстоянии, измеряемом километрами, для пластикового — метрами. Степень наполнения волокна влияет на результаты измерения его характеристик, а также на результаты измерений потерь, вносимых стыком.
Измерение вносимых потерь для соединения в условиях РРМ даст большее значение, но оно отражает реальное затухание, вносимое стыком в длинную линию. Достижения РРМ на малой длине можно добиться, обернув волокно 5 раз вокруг стержня, диаметр которого равен двукратному минимально допустимому (для данного волокна) радиусу изгиба.
Мощность оптического сигнала измеряется в логарифмических единицах дБм (децибел к милливатту): уровню 0 дБм соответствует сигнал с мощностью 1 мВт. Иногда пользуются единицей дБмк: уровню 0 дБмк соответствует сигнал с мощностью 1 мкВт.
Потери (loss) сигнала в каком-либо элементе определяются через отношение выходной Рout мощности к входной Pin как Знак «минус» перед логарифмом позволяет выражать затухание положительными величинами. Тогда большее затухание будет соответствовать и большим потерям сигнала, что удобно при расчетах.
По мере распространения луча происходит его затухание, вызванное рассеянием и поглощением. Поглощение — преобразование в тепловую энергию — происходит во вкраплениях примесей; чем чище стекло, тем эти потери меньше. Рассеяние — выход лучей из световода — происходит в изгибах волокон, когда лучи более высоких мод покидают волокно Рассеяние происходит и в микроизгибах, и на прочих дефектах поверхности границы сред. Для волокна указывают погонное затухание (дБ/км), и для получения значения затухания в конкретной линии погонное затухание умножают на ее длину. Затухание имеет тенденцию к снижению с увеличением длины волны, но при этом зависимость немонотонна, что видно на графике ниже На нем видны окна прозрачности многомодового волокна в областях с длинами волн 850 мкм и 1300 мкм. Для одномодового волокна окна находятся в диапазонах около 1300 и 1500-1600 мкм. Естественно, что с целью повышения эффективности связи аппаратура настраивается на длину волны, находящуюся в одном из окон. Одномодовое волокно используется для волн 1550 и 1300 нм, при этом типовое погонное затухание составляет 0,25 и 0,35 дБ/км соответственно. Многомодовое волокно используется для волн 1300 и 850 им, где погонное затухание — 0,75 и 2,7 дБ/км.
В оптической передаче самые сложные задачи связаны с концами и стыками волокон. Это генерация световых импульсов и ввод их в волокно, прием и детектирование сигналов, и «просто» соединение отрезков волокон между собой. Луч, падающий на торец волокна, входит в него не весь: он частично отражается обратно, часть проходящей энергии рассеивается на дефектах (шероховатости) поверхности торца, часть «промахивается» мимо конуса, принимающего свет. То же самое происходит и на выходе луча из волокна. В итоге каждый стык вносит потери проходящего сигнала (типовое значение 0,1-1 дБ), а уровень отраженного сигнала может находиться в пределах 15-60 дБ. Для снижения потерь и отражений применяют различные конструктивные ухищрения. Рассмотрим основные источники неприятностей на стыках. При прохождении луча через границу двух сред, различающихся по показателям преломления, происходит его частичное обратное отражение. Это отражение, называемое френелевским, тем больше, чем больше различаются показатели преломления (неважно, в какую сторону). Для пары стекло-воздух потери на френелевском отражении при нормальном падении составляют 0,17 дБ. Таким образом, на стыке двух волокон с малейшим воздушным зазором потери только на этом отражении составят 0,34 дБ (стекло—воздух—стекло). В мпогомодопом режиме, когда свет падает на границе раздела не перпендикулярно, потери будут больше. Для устранения этого отражения в зазор между волокнами вводят каплю геля, совпадающего со стеклом по показателю преломления. В разъемных соединениях обратное отражение снижают другими способами.
Потери в соединениях складываются из собственно затухания Lossc и возможных потерь от несогласованности диаметров и апертур соединяемых элементов. Потери от несоответствия диаметров возникают, когда диаметр принимающего элемента (D2) меньше диаметра передающего элемента (D1). Тогда Потери, рассчитанные по этой формуле, будут иметь положительное значение. При D2 >= D1 эти потери отсутствуют. Для многомодовых волокон в этой формуле участвуют диаметры сердцевин, для одномодовых — диаметры модового пятна.
Потери от несоответствия числовых апертур возникают, когда апертура принимающего элемента (NA2) меньше диаметра передающего элемента (NA1). Тогда При NA2 >= NA1 эти потери отсутствуют.
Поскольку реальные волокна не имеют идеально круглой концентрической формы сечения, при стыковке волокон потери возникают от некруглости и эксцентриситета стыкуемых волокон. Кроме того, потери вызываются и угловым отклонением осей волокон. Все эти дефекты, естественно, могут только увеличивать переходные потери. На рисунке ниже, иллюстрирующем эти потери, заштрихованы эффективные области (и конус) передачи световой энергии — потери тем больше, чем меньше эти области. Если между сколами стыкуемых волокон оказывается воздушный зазор, то вносится дополнительное затухание, почти линейно возрастающее с увеличением зазора. Это явление используется в аттенюаторах. Чем больше апертура волокон, тем сильнее возрастает это затухание с увеличением зазора. Дополнительные потери возникают и от непараллельности плоскостей сколов, а также от шероховатости сколов. Как ни странно, волокно может вносить не только затухание, но и усиление сигнала. На основе отрезка оптоволокна, легированного эрбием, возможно создание чисто оптического усилителя сигнала. Усилитель EDFA (erbium-doped fiber amplifier) увеличивает мощность проходящего оптического сигнала с длиной волны 1550 нм па 30-40 дБ за счет оптической энергии, поступающей от лазера накачки с длиной волны 980 нм. Такой усилитель проще в реализации, чем электронный усилитель с приемником и передатчиком. Кроме того, поскольку он усиливает чисто оптический сигнал, не возникает проблем с быстродействием. Эрбиевые усилители применяют в длинных магистралях.
Информация взята из книги "Аппаратные средства локальных сетей" автор Михаил Гук.
Устройство световода показано на рисунке. Внутренняя часть световода называется сердцевиной (core, иногда переводят как «ядро»), внешняя — оптической оболочкой волокна, или просто оболочкой (cladding). В зависимости от траекторий распространения света различают одномодовое и многомодовое волокно. Многомодовое волокно (multi mode fiber, MMF) имеет довольно большой диаметр сердцевины -- 50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм или 100 мкм при оболочке 140 мкм. Одномодовое волокно (single mode fiber, SMF) имеет диаметр сердцевины 8 или 9,5 мкм при том же диаметре оболочки. Снаружи оболочка имеет защитное покрытие (coating) толщиной 60 мкм, называемое также защитной оболочкой. Световод (сердцевина в оболочке) с защитным покрытием называется оптическим волокном. Оптоволокно в первую очередь характеризуется диаметрами сердцевины и оболочки, эти размеры в микрометрах записываются . через дробь: 50/125, 62,5/125, 100/140, 8/125, 9,5/125 мкм. Наружный диаметр волокна (с покрытием) тоже стандартизован, в телекоммуникациях в основном используются волокна с диаметром 250 мкм. Применяются такие и волокна с буферным покрытием, или просто буфером (butler), диаметром 900 мкм, нанесенным на первичное 250-мкм покрытие.
