ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ И ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН Параметры оптических кабелей параметры конструктивные; параметры, определяющие передаточные и оптические характеристики кабеля; параметры, характеризуйте область применения, т.е. допустимые условия монтажа и эксплуатации с точки зрения механических, климатических и других воздействий.

Затухание оптического волокна определяет длину регенерационных участков (расстояние между регенераторами) в материале волокна ( м ) волноводными потерями ( в ), связанными с отклонениями реальной структуры световода от идеальной Потери в материале связаны с поглощением, ( П ) и рассеянием ( р ) передаваемого света веществом оптического волокна

Причинами волноводных потерь являются факторы, обусловленные процессами изготовления, как самого волокна, так и кабеля в целом Причинами потерь за счет поглощения света, в общем случае, является уменьшение энергии или интенсивности световой волны при её распространении в веществе вследствие перехода энергия электромагнитного поля волны в другие формы

В чистом стекле возможны два основных механизма поглощения световой энергии 1. из-за взаимодействия фотонов с колебательными уровнями молекул возникают полосы поглощения в инфракрасной области спектра, причём «фундаментальные» полосы такого поглощения лежат, как правило, выше 6 мкм. 2. из-за существования резкого порога поглощения, когда энергия фотонов становится достаточной для того, чтобы вызвать переход электронов на высокие уровни

Рассеянием света, в общем случае, называется отклонение световых лучей во все стороны от первоначального направления. Рассеяние света возникает в тех случаях, когда среда, в которой распространяется свет, является оптически неоднородной Потери на рассеяние вызываются температурными колебаниями и флуктуациями структуры стекла (Рэлеевское рассеяние), наличием небольших пузырьков и включений, сравнимых по размерам с длиной волны (рассеяние Ми), нелинейными эффектами спонтанного и стимулированного излучения (Рамановское и Бриллюновское рассеяния)

Рассеяние Рэлея – это потери в материале, вызванные рассеянием света из-за флуктуации плотности материала световода Для кварцевого стекла С R 0,6 [мкм 4 дБ/км] Рассеяние Ми имеет место на неоднородностях, сравнимых по порядку величины с длиной волны.

Нелинейное рассеяние Рамана Бриллюэна могут наблюдаться при относительно низких абсолютных уровнях мощности, порядка 1 Вт. Однако в системах передачи информация мощность на входе обычно не превышает 10 мВт и потери от нелинейных явлений можно не учитывать при очень высоких интенсивностях в тонких сердцевинах оптического волокна стимулированные рассеяния могут привести к сильному затуханию

Спектральная зависимость коэффициента затухания кварцевого одномодового световода 0,7 1,0 1,3 1,6, мкм ,0 0,5, дБ/км

Минимально достижимые значения коэффициента затухания, определяемые потерями на рассеяние, составляют: для =0,85мкм 1,35дБ/км; =1,3мкм 0,25дБ/км; =1,55мкм 0,12дБ/км. Средние значения коэффициента затухания: =0,85мкм 2дБ/км; =1,3 – 1,55мкм 0,5 – 0,2дБ/км.

Наиболее важными, c точки зрения поглощения, являются ионы металлов Си, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni и гидроксильная группа ОН – они имеют электронные переходы с энергиями, достаточно низкими для возбуждения фотонами в видимом свете или инфракрасной области

Потери на геометрических неоднородностях оптического волокна – это дополнительные потери из-за наличия макронеоднородностей и включений, которые создаются при изготовлении волокна, даже, если материал однороден, a также из-за геометрических неоднородностей поверхности раздела сердцевина-оболочка

В одномодовом волокне эти геометрические возмущения приводят к связи направляемых мод и мод излучения, и происходит потеря энергии В многомодовом волокне геометрические неоднородности в первую очередь связывают между собой различные моды сердцевины. При этом энергия не теряется, а перераспределяется между направленными модами. Поэтому на полное затухание этот эффект оказывает незначительное влияние, но может влиять на искажение сигналов

Потери на изгибах оптического волокна обусловлены преобразованием на них направляемых мод в моды излучения макроизгибымикроизгибы 2а 2b2b R из h

Дисперсия и полоса пропускания волоконного световода пропускная способность F - определяет полосу частот, пропускаемую световодом, и соответственно объём информации, который можно передавать по кабелю дисперсия – это рассеяние во времени спектральных или модо-вых составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению длительности импульса при прохождении по кабелю ( ).

В недисперсионной среде групповая и фазовая скорости одинаковы В дисперсионной среде

В многомодовых оптических волокнах (MOB) мод >> х и поэтому дисперсия характеризуется модовой составляющей В одномодовых оптических волокнах (ООВ) мод =0 и поэтому дисперсия ООВ

Уширение импульса из-за модовой дисперсии для ступенчатого световода для градиентного световода

В ООВ для оценки уширения импульса

Зависимость дисперсии от (мкм) для ООВ без сохранения поляризации: а – обычные; б – со смещенной дисперсией; в – со смещенной выровненной дисперсией; 1 – суммарная; 2 – материальная; 3 – волновая дисперсия ,3 1, в ,3 1, б ,3 1, а

Взаимодействие мод и влияние его на характеристики передачи световода

Конструкции и материалы оптических волокон Многомодовые оптические волокна Профиль показателя преломления оптических волокон: а – ступенчатое; б – градиентное; в градиентное с осевым провалом; г – ООВ W типа; д – ООВ с треугольной сердцевиной и четырехслойной оболочкой 2а n2n2 n1n1 n1n1 n2n2 n2n2 n1n1 n2n2 n1n1 n3n3 2a aбвгд

Одномодовые оптическое волокно Дисперсия обусловлена тремя причинами -зависимостью групповой скорости моды от частоты (волновая дисперсия); -изменением показателя преломления материала с изменением частоты (дисперсия материала) -разбросом групповых скоростей отдельных мод в многомодовом режиме работы (межмодовая дисперсия)

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6, мкм Зависимость дисперсии и коэффициента затухания от для ООВ без сохранения поляризации: 1 – обычного; 2 – со смещенной дисперсией; 3 – с выровненной смещенной дисперсией; 4 – коэффициент затухания

Материалы и виды оптических волокон применяют стёкла и полимерные материалы -по виду окисла – стеклообразователя – силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюминатные, борсиликатные, алюмоборсиликатные и т.д.; - по содержанию щелочных окислов - безщелочные, малощелочные, многощелочные. стёкла

полимерные материалы требования к полимерным материалам, применяемым для изготовления волокон, являются: высокая прозрачность в видимом спектре частот, оптимальная механическая прочность и твёрдость. Для изготовления оптических волокон применяют стеклообразные органические высокомолекулярные полимеры: полиметилметакрилат и сополимеры, полистирол, поликарбонат, фторполимеры

Оптические характеристики градиентных многомодовых п одномодовых (без сохранения поляризации) волокон Характеристика Многомодовые (d с =50 мкм) Одномодовые Длина волны, мкм0,851,3 1,55 Коэффициент затухания, дБ/км 2,4 – 5,00,6 – 1,5 0,35 – 0,06 0,22 – 0,35 Коэффициент широкополосности, МГц км 200 – – Дисперсия--3 – 122,5 – 3,5 Длина волны отсечки, мкм -- 1,1 – 1,28 1,28

Геометрические характеристики многомодовых и одномодовых (без сохранения поляризации) волокон ХарактеристикаМногомодовые Одномодовые =1,33 мкм =1,55 мкм Диаметр сердцевины, мкм5062, Диаметр модового пятна, мкм ,0-8,3 Диаметр оптической оболочки, мкм Относительная несоосность оптической оболочки, % Некруглость сердцевины, % Некруглость оптической оболочки, % Числовая апертура0,230,290,260,290,30,09-0,11-

Геометрические размеры волокна с кварцевой сердцевиной и полимерной оптической оболочкой Характери- стика Величина Диаметр сердцевины, мкм Диаметр по оптической оболочке, мкм Несоосность сердцевины и оптической оболочки, мкм Диаметр ВЗП, мм 0,42 0,0 3 0,6 0,1 0,65 0,0 5 0,9 0,151,2 0,011,55 0,1 Несоосность сердцевины и ВЗП, мкм

Полимерные оптические световоды могут иметь следующие характеристики: 2b от 250 до 1000 мкм; NA=0,5 на длине волны 0,65 мкм; профиль – ступенчатый; коэффициент затухания для волокна с сердцевиной из полистирола и оптической оболочкой из полиметилметакрилата 55 дБ/км на =0,57 мкм и 114 дБ/км на =0,67 мкм. Для волокна с сердцевиной из полиметилметакрилата возможно снижение потерь до 9,1 дБ/км =0,68 мкм. Коэффициент затухания постоянен в диапазоне температур от -40 до +130°С.

Материалы и виды защитных покрытий оптических волокон Покрытие должно обеспечивать сохранность собственной прочности волокна путем защиты его поверхности от влаги, химических и механических повреждений, фильтрацию оболочечных мод и предотвратить возникновение дополнительных потерь на передачу, обусловленных микроизгибами