3.1.4 Классификация и характеристики ОВ

Оптические волокна могут быть классифицированы по двум параметрам. Первый - материал, из которого сделано волокно:

1. Стеклянные волокна имеют как стеклянную сердцевину, так и стеклянную оптическую оболочку. Стекло, используемое в данном типе волокон, состоит из сверхчистого сверхпрозрачного диоксида кремния или плавленого кварца. В стекло добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления. Германий и фосфор, например, увеличивают показатель преломления, а бор и фтор, напротив, уменьшают его. Кроме того, в стекле присутствуют другие примеси, не извлеченные в процессе очистки. Они также влияют на свойства волокна, увеличивая затухание, обусловленное рассеянием и поглощением света.

2. Стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой имеют стеклянную сердцевину и пластиковую оптическую оболочку. Их характеристики, хотя и не столь хорошие, как у полностью стеклянного волокна, являются вполне приемлемыми.

3. Пластические волокна имеют пластиковую сердцевину и пластиковую оптическую оболочку. По сравнению с другими видами волокон пластиковые имеют ограниченные возможности с точки зрения затухания и полосы пропускания. Однако низкая себестоимость и простота использования делают их привлекательными там, где требования к величинам затухания и полосе пропускания не столь высоки.

Второй способ классификации волокон основан на виде профиля показателя преломления (ППП) сердцевины и модовой структуре света в ней.

Мода представляет собой математическое и физическое понятие, связанное с процессом распространения электромагнитных волн в среде. В рамках данного курса под модой достаточно понимать вид траектории, вдоль которой может распространяться свет. Число мод, допускаемых волокном, колеблется от 1 до 100 000. Таким образом, волокно позволяет свету распространяться по множеству траекторий, число которых зависит от размера и свойств волокна.

Тип оптического волокна идентифицируется по типу путей, или так называемых «мод», проходимых светом в ядре волокна. Существуют два основных типа волокна - многомодовое MMF (multi mode fiber) и одномодовое SMF (single mode fiber) (рис. 3.7).

Рис. 3.7 Многомодовое волокно (а) и одномодовое волокно (б)

Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины (рис. 3.8, 3.9). Одномодовое волокно (ООВ) проектируется так, что в нем может распространяться только одна мода. Многомодовое волокно (МОВ), с его относительно большой сердцевиной, допускает распространение по волокну нескольких или многих мод.

Многомодовые волокна могут обладать ступенчатым или градиентным профилем показателя преломления. 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. 3.8 Профили показателей преломления оптических волокон:
а) ступенчатый (многомодовое и стандартное одномодовое волокно); б) градиентный (многомодовое волокно); в) треугольный (одномодовое волокно со смещённой дисперсией); г) треугольный (волокно с ненулевой смещённой дисперсией)

Рис. 3.9 Типы оптических волокон

Многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления получило своё название от резкой, ступенчатой разницы между показателями преломления ядра и оболочки.

В более распространённом многомодовом волокне с градиентным показателем преломления пучки света также распространяются в волокне по многочисленным путям. В отличие от волокна со ступенчатым показателем преломления, ядро с градиентным показателем содержит многочисленные слои стекла, которые по мере удаления от оси волокна имеют более низкий показатель преломления по сравнению с предыдущим слоем. Результатом такого формирования градиента показателя преломления является то, что пучки света ускоряются во внешних слоях и хотя они проходят большие расстояния, их время распространения в волокне сравнимо с временем распространения пучков, проходящих по более коротким путям вблизи оси.

Одномодовое волокно, в отличие от многомодового, имеет значительно меньший диаметр сердцевины, что позволяет распространяться по её сердцевине только одному пучку или моде света. Вследствие этого устраняются все искажения оптического сигнала, распространяющегося по одномодовому волокну, связанные с межмодовым взаимодействием. Основные типы одномодовых волокон, применяемых в линиях связи, нормируются международными стандартами ITU-T Rес. G. 652...G. 655.

Основными факторами, влияющими на характер распространения света по волокну, являются: основные характеристики оптического волокна, затухание и дисперсия.

Основные характеристики волокна. К основным характеристикам ОВ относятся: передаточные характеристики (затухание, дисперсия), конструктивные характеристики и механические характеристики.

Относительная разность показателей преломления. Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна. Одним из важнейших параметров, который характеризует волокно как передающую среду, является относительная разность Д показателей преломления сердцевины и оболочки:

Δ=(n₁²-n₂²)/2n₁².

Если показатель преломления оболочки выбирается обычно постоянной величиной, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса. В этом случае для проведения различных оценок параметров волокна вместо n₁ используют n_эфф.

Числовая апертура. Важным параметром, характеризующим волокно, является числовая апертура NA. Она связана с максимальным углом ΘA (апертурный угол) ввода излучения из свободного пространства в волокно, при котором свет ещё испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну, выражением:

NA = sin ΘA.

Рис. 3.10 Числовая апертура

Если имеются два волокна с одним и тем же диаметром сердечника, но с различными числовыми апертурами, волокно с большей апертурой будет принимать больше световой энергии от источника света, чем волокно с меньшей апертурой. Если есть два волокна с одинаковыми апертурами, но с различными диаметрами, волокно с большим диаметром получит в сердечник больше световой энергии, чем волокно с меньшим диаметром. Это показано на рис. 3.11. Оптические волокна с большими апертурами или диаметрами принимают больше света, чем волокна с меньшими апертурами или диаметрами. Волокна с большими апертурами и диаметрами больше подходят для недорогих передатчиков, таких, как светодиоды, которые не способны концентрировать выходную энергию в узкий когерентный пучок (как лазеры) и излучают под большим углом. Однако недостатком волокна с такими параметрами является снижение полосы пропускания волоконной передачи. С другой стороны, волокно с меньшей апертурой или диаметром будет иметь большую полосу пропускания. Недостатком же в этом случае является необходимость в более дорогих источниках света (таких, как лазеры), предоставляющих более узкие пучки света, и в более точном выравнивании передатчика и сердцевины.

Рис. 3.11
а) ОВ с различными числовыми апертурами, но с одинаковыми диаметрами; б) ОВ с одинаковыми числовыми апертурами, но с различными диаметрами

Нормированная частота. Другим важным параметром, характеризующим волокно и распространяющийся по нему свет, является нормированная частота V, которая определяется как:

V = πdλ / NA,

где d диаметр сердцевины волокна.

Если нормированная частота V будет меньше 2,405, то волокно будет одномодовым.

Затухание. Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого в волокне сигнала, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

Рис. 3.12 Основные типы потерь в оптическом волокне

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как:

Потери на поглощение и на рассеяние называются собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями. Полное затухание в волокне, измеряемое в дБ/км, определяется в виде суммы:

α=α_соб+α_каб=α_погл+α_рас+α_каб

Потери на поглощение α_погл, состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях.

Рис. 3.13 Основные виды потерь в ОВ

Потери на рассеяние α_рас. Основной причиной потерь из-за рассеяния является так называемое рэлеевское рассеяние, которое вызывается наличием в оптическом волокне неоднородностей микроскопического масштаба. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна. Потери из-за рэлеевского рассеяния зависят от длины волны по закону λ^-4 и сильней проявляются в области коротких длин волн.

Рис. 3.14 Релеевское рассеяние

Кабельные потери (α_каб) обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающих при наложении покрытий и защитных оболочек при производстве кабеля, а также в процессе его прокладки.

Дисперсия. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, при распространении по волокну расплываются. Расплывание импульса приводит к перекрыванию крыльев соседних импульсов, как изображено на рис. 3.15. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приёме. Вследствие этого импульсы трудно отличить один от другого, а заключенная в них информация теряется.

Рис. 3.15 Искажения формы импульсов из-за дисперсии

Дисперсия - это расплывание светового импульса по мере его движения по оптическому волокну. Дисперсия ограничивает ширину полосы пропускания и информационную емкость кабеля. Уменьшение дисперсии приводит к увеличению полосы пропускания.

Наличие дисперсии объясняется тремя основными факторами:

Рис. 3.16 Виды дисперсии

Межмодовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам. Различные моды имеют различные фазовые и групповые скорости и их максимумы энергии достигают детектор в различные моменты времени. Лучи проходят различные пути и, следовательно, достигают противоположного конца волокна в различные моменты времени.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчётливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия в нём межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Внутримодовая дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра излучения источника Δλ.

Рис. 3.17 Хроматическая дисперсия

Поляризационная модовая дисперсия (τ_пол) возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды.

Рис. 3.18 Поляризационная модовая дисперсия

Результирующая дисперсия в ООВ включает в себя все виды дисперсии и ограничивает максимальную скорость передачи информации по линиям связи.

Информационную емкость ОВ различных типов принято характеризовать полосой пропускания и коэффициентом широкополосности. Полоса пропускания определяется как диапазон частот, в пределах которого значение АЧХ больше или равно половине максимального значения. Это соответствует снижению уровня оптической мощности сигнала на границах полосы пропускания на 3 дБ. Коэффициент широкополосности равен полосе пропускания ОВ длиной L = 1 км и выражается в МГц*км.

Полоса пропускания ОВ (в мегагерцах) обратно пропорциональна длине L линии связи. Многомодовое ОВ имеет коэффициент широкополосности 200…1000 МГц*км и используется, в основном, во внутриобъектовых системах связи и в структурированных кабельных системах (СКС).

Одномодовое ОВ является весьма широкополосным  (10-100 ГГц) и позволяет реализовать огромные скорости передачи на большие расстояния (сотни км).