3.1.4 Класифікація та характеристики ВВ
Оптичні волокна можуть бути класифіковані за двома параметрами. Перший - матеріал, з якого виготовлено волокно:
1. Скляні волокна мають як скляну серцевину, і скляну оптичну оболонку. Скло, яке використовується в даному типі волокон, складається з надчистого надпрозорого діоксиду кремнію або плавленого кварцу. У скло додають домішки, щоб отримати необхідний показник заломлення. Німеччина і фосфор, наприклад, збільшують показник заломлення, а бор і фтор, навпаки, зменшують його. Крім того, у склі є інші домішки, не витягнуті в процесі очищення. Вони також впливають на властивості волокна, збільшуючи згасання, зумовлене розсіюванням та поглинанням світла.
2. Скляні волокна з пластиковою оптичною оболонкою мають скляну серцевину та пластикову оптичну оболонку. Їх характеристики, хоча й настільки хороші, як в повністю скляного волокна, є цілком прийнятними.
3. Пластичні волокна мають пластикову серцевину та пластикову оптичну оболонку. Порівняно з іншими видами волокон пластикові мають обмежені можливості з погляду згасання та смуги пропускання. Однак низька собівартість і простота використання роблять їх привабливими там, де вимоги до величин згасання та смуги пропускання менш високі.
Другий спосіб класифікації волокон заснований на вигляді профілю показника заломлення (ППП) серцевини та модової структури світла в ній.
Мода є математичне і фізичне поняття, пов'язане з процесом поширення електромагнітних хвиль у середовищі. У рамках цього курсу під модою досить розуміти вид траєкторії, вздовж якої може поширюватися світло. Число мод, що допускаються волокном, коливається від 1 до 100 000. ТакимТаким чином, волокно дозволяє світлу поширюватися по безлічі траєкторій, кількість яких залежить від розміру та властивостей волокна.
Тип оптичного волокна ідентифікується за типом шляхів, або про «мод», прохідних світлом у ядрі волокна. Існують два основних типи волокна – багатомодове MMF (multi mode fiber) та одномодове SMF (single mode fiber) (рис. 3.7).
Волокна відрізняються діаметром серцевини та оболонки, а також профілем показника заломлення серцевини (рис. 3.8, 3.9). Одномодове волокно (ООВ) проектується так, що в ньому може поширюватися лише одна мода. Багатомодове волокно (МОВ), з його відносно великою серцевиною, допускає поширення по волокну декількох або багатьох мод.
Багатомодові волокна можуть володіти ступінчастим або градієнтним профілем показника заломлення. Ступінчастий профіль показника заломлення характеризується різкою (у вигляді сходинки) зміною показника заломлення (від п1 до п2) на межі розділу, тоді як градієнтний плавним зміною.
Мал. 3.8 Профілі показників заломлення оптичних волокон: а) ступінчастий (багатомодове та стандартне одномодове волокно); б) градієнтний (багатомодове волокно); в) трикутний (одномодове волокно зі зміщеною дисперсією); г) трикутний (волокно з ненульовою зміщеною дисперсією)
Багатомодове волокно зі ступінчастим показником заломлення отримало свою назву від різкої, ступінчастої різниці між показниками заломлення ядра та оболонки.
У більш поширеному багатомодовому волокні з градієнтним показником заломлення пучки світла також поширюються у волокні численними шляхами. На відміну відволокна зі ступінчастим показником заломлення, ядро з градієнтним показником містить численні шари скла, які в міру віддалення від осі волокна мають нижчий показник заломлення порівняно з попереднім шаром. Результатом такого формування градієнта показника заломлення є те, що пучки світла прискорюються у зовнішніх шарах і хоча вони проходять великі відстані, їх час поширення в волокні порівняно з часом поширення пучків, що проходять короткими шляхами поблизу осі.
Одномодове волокно, на відміну багатомодового, має значно менший діаметр серцевини, що дозволяє поширюватися по її серцевині тільки одному пучку або моді світла. Внаслідок цього усуваються всі спотворення оптичного сигналу, що поширюється по одномодовому волокну, пов'язані з міжмодовою взаємодією. Основні типи одномодових волокон, застосовуваних лініях зв'язку, нормуються міжнародними стандартами ITU-T Rес. G. 652. G. 655.
Основними чинниками, що впливають характер поширення світла по волокну, є: основні характеристики оптичного волокна, згасання і дисперсія.
Основні властивості волокна. До основних характеристик ВВ відносяться: передавальні характеристики (загасання, дисперсія), конструктивні характеристики та механічні характеристики.
Відносна різницю показників заломлення. Волокно складається з серцевини та оболонки. Оболонка оточує оптично більш щільну серцевину, що є світлонесучою частиною волокна. Одним із найважливіших параметрів, що характеризує волокно як передавальне середовище, є відносна різниця Д показників заломлення серцевини та оболонки:
Якщо показник заломлення оболонки зазвичай вибирається постійною величиною, то показникзаломлення серцевини у випадку може залежати від радіуса. У цьому випадку для проведення різних оцінок параметрів волокна замість n1 використовують неф.
Числова апертура. Важливим параметром, що характеризує волокно, є цифрова апертура NA. Вона пов'язана з максимальним кутом ΘA (апертурний кут) введення випромінювання з вільного простору в волокно, при якому світло ще відчуває повне внутрішнє відображення і поширюється по волокну, виразом:
Мал. 3.10 Числова апертура
Якщо є два волокна з тим самим діаметром сердечника, але з різними числовими апертурами, волокно з більшою апертурою буде приймати більше світлової енергії від джерела світла, ніж волокно з меншою апертурою. Якщо є два волокна з однаковими апертурами, але з різними діаметрами, волокно з великим діаметром отримає в осердя більше світлової енергії, ніж волокно з меншим діаметром. Це показано на рис. 3.11. Оптичні волокна з більшими апертурами або діаметрами приймають більше світла, ніж волокна з меншими апертурами або діаметрами. Волокна з великими апертурами та діаметрами більше підходять для недорогих передавачів, таких як світлодіоди, які не здатні концентрувати вихідну енергію у вузький когерентний пучок (як лазери) і випромінюють під великим кутом. Однак, недоліком волокна з такими параметрами є зниження смуги пропускання волоконної передачі. З іншого боку, волокно з меншою апертурою або діаметром матиме велику смугу пропускання. Недоліком у цьому випадку є необхідність у більш дорогих джерелах світла (таких, як лазери), що надають більш вузькі пучки світла, і більш точному вирівнюванні передавача і серцевини.
Нормована частота. Іншим важливим параметром, що характеризує волокно і світло, що по ньому поширюється, є нормована частота V, яка визначається як:
де d діаметр серцевини волокна.
Якщо нормована частота V буде меншою за 2,405, то волокно буде одномодовим.
Згасання. Волокно характеризується двома найважливішими параметрами: згасанням та дисперсією. Чим менше загасання (втрати) і чим менша дисперсія сигналу, що поширюється в волокні, тим більше може бути відстань між регенераційними ділянками або повторювачами.
На згасання світла у волокні впливають такі фактори, як:
Втрати на поглинання і розсіювання називаються власними втратами, тоді як кабельні втрати з їхньої природи називають також додатковими втратами. Повне згасання у волокні, що вимірюється в дБ/км, визначається у вигляді суми:
Втрати на поглинання αпогл складаються як із власних втрат у кварцовому склі (ультрафіолетове та інфрачервоне поглинання), так і з втрат, пов'язаних із поглинанням світла на домішках.
Мал. 3.13 Основні види втрат у ВВ
Втрати на розсіювання αрас. Основною причиною втрат через розсіювання є так зване релеєвське розсіювання, яке викликається наявністю в оптичному волокні неоднорідностей мікроскопічного масштабу. Світло, потрапляючи на такі неоднорідності, розсіюється у різних напрямках. В результаті частина його губиться в оболонці. Ці неоднорідності неминуче виникають під час виготовлення волокна. Втрати черезРелеєвського розсіювання залежать від довжини хвилі за законом λ -4 і сильніше виявляються в області коротких довжин хвиль.
Мал. 3.14 Релеївське розсіювання
Кабельні втрати (αкаб) обумовлені скручуванням, деформаціями та вигинами волокон, що виникають при накладенні покриттів та захисних оболонок при виробництві кабелю, а також у процесі його прокладання.
Дисперсія. Імпульси світла, послідовність яких визначає інформаційний потік, при розповсюдженні волокна розпливаються. Розпливання імпульсу призводить до перекривання крил сусідніх імпульсів, як показано на рис. 3.15. При досить великому розширенні імпульси починають перекриватися, тому стає неможливим їх виділення при прийомі. Внаслідок цього імпульси важко відрізнити один від одного, а укладена в них інформація втрачається.
Мал. 3.15 Спотворення форми імпульсів через дисперсію
Дисперсія - це розпливання світлового імпульсу з його руху оптичним волокном. Дисперсія обмежує ширину смуги пропускання та інформаційну ємність кабелю. Зменшення дисперсії призводить до збільшення смуги пропускання.
Наявність дисперсії пояснюється трьома основними факторами:
Міжмодова дисперсія властива лише багатомодовим волокнам. Різні моди мають різні фазові та групові швидкості та їх максимуми енергії досягають детектор у різні моменти часу. Промені проходять різні шляхи і, отже, досягаютьпротилежного кінця волокна у різні моменти часу.
Хроматична дисперсія складається з матеріальної та хвилеводної складових і має місце при поширенні як в одномодовому, так і багатомодовому волокні. Однак найбільш виразно вона проявляється в одномодовому волокні через відсутність у ньому міжмодової дисперсії.
Матеріальна дисперсія обумовлена залежністю показника заломлення від довжини хвилі.
Хвильоводна (внутрішньомодова) дисперсія обумовлена процесами всередині моди. Внутрішньомодова дисперсія, в першу чергу, визначається профілем показника заломлення ОВ і пропорційна ширині спектра випромінювання джерела Δλ.
Поляризаційна модова дисперсія (τпол) виникає внаслідок різної швидкості поширення двох взаємно перпендикулярних поляризаційних складових моди.
Мал. 3.18 Поляризаційна модова дисперсія
Результуюча дисперсія в ООВ включає всі види дисперсії і обмежує максимальну швидкість передачі інформації по лініях зв'язку.
Інформаційну ємність ОВ різних типів прийнято характеризувати смугою пропускання та коефіцієнтом широкосмугового. Смуга пропускання визначається як діапазон частот, в межах якого значення АЧХ більше або дорівнює половині максимального значення. Це відповідає зниженню рівня оптичної потужності сигналу на межах смуги пропускання на 3 дБ. Коефіцієнт широкосмугової дорівнює смузі пропускання ОВ довжиною L = 1 км і виявляється у МГц*км.
Смуга пропускання ВВ (у мегагерцах) обернено пропорційна довжині L лінії зв'язку. Багатомодове ОВ має коефіцієнт широкосмугової 200…1000 МГц*км і використовується, в основному, у внутрішньооб'єктових системах зв'язку та структурованих кабельнихсистемах (СКС).
Одномодове ОВ є дуже широкосмуговим (10-100 ГГц) і дозволяє реалізувати величезні швидкості передачі великі відстані (сотні км).