Довжина хвилі, на якій досягається нижня межа власного загасання чистого кварцового волокна, становить 1550 нм і визначається розумним компромісом між втратами внаслідок релєєвського розсіювання і інфрачервоного поглинання.
Внутрішні втрати добре інтерполюються формулою:
α = До rel λ - 4 + δ OH (λ) + Ce - k / λ,
де δ OH (λ) відображає пік поглинання на домішках ОН з максимумом при 1480 нм, а перше і останнє складові відповідають релєєвськоє розсіювання і
інфрачервоному поглинанню відповідно (До REL = 0,8 мкм 4 дБ / км; С = 0,9 дБ / км; k = 0,7-0,9 мкм; дані наведені для кварцу). На рис. 2.8 наводиться загальний вигляд
спектральної залежності власних втрат із зазначенням характерних значень чотирьох основних параметрів (мінімумів загасання в трьох вікнах прозорості 850 1300 і1550 нм, і піку поглинання на довжині хвилі 1480 нм) для сучасних одномодових і багатомодових волокон.
Мал. 2.8. Власні втрати в оптичному волокні
Кабельні (радіаційні) втрати α rad обумовлені скруткой,
деформаціями і вигинами волокон, що виникають при накладенні покриттів і захисних оболонок, виробництва кабелю, а так само в процесі інсталяції ВОК. При дотриманні ТУ на прокладку кабелю номінальний внесок з боку радіаційних втрат становить не більше 20% від повного загасання. Додаткові радіаційні втрати з'являються, якщо радіус вигину кабелю стає менше мінімального радіусу вигину, зазначеного в специфікації на ВОК.
Не приймаючи до уваги дисперсію, тобто спотворення сигналу в міру поширення по волокну, розглянемо спочатку потенційні можливості волокна.
Довжина хвилі і частота світлового випромінювання пов'язані між собою формулою v = c / λ. де с - швидкість світла (3 * 10 8 м / с). Диференціюючи за λ. отримуємо dv / dλ = - c / λ 2. а отже, вікна Δ λ навколо λ 0 відповідає вікно Δν. яке
визначається за формулою: Δν = сΔλ / λ 2 0. Якщо λ 0 = 1300 нм і Δλ = 200 нм, то Δv = 35 ТГц (35 * 10 12 Гц). якщо ж λ 0 = 1550 нм і Δλ = 200 нм, то Δv = 25 ТГц. Найбільш підходящим з точки зору магістральних протяжних мереж є вікно 1550 нм, оскільки в цьому вікні досягається мінімальне загасання сигналу до 0,2 дБ / км, рис. 2.8. Незважаючи на такі великі ресурси волокна, реалізувати передачу на швидкості 25 Тбіт / с в даний час неможливо, оскільки відповідна частота модуляції поки не досяжна. Проте є інша дуже ефективне вислів, ідея якого полягає в поділі всієї смуги на канали меншої ємності. Кожен з таких каналів можна використовувати під окремий додаток. Ця технологія відома як хвильове ущільнення або хвильове мультиплексування - WDM. Технологія WDM дозволяє збільшити пропускну здатність волокна не за рахунок збільшення частоти модуляції (при наявності однієї передавальної довжини хвилі - однієї несучої), а за рахунок додавання нових довжин хвиль (нових несучих). Єдина умова, яку необхідно виконати - це виняток перекриттів між спектральними каналами. Інтервал між сусідніми довжинами хвиль повинен бути більше ширини спектра випромінювання. Сучасні одномодові лазери з розподіленим бреггівськими відображенням - DBR лазери - дають спектральну смугу менше 0,1 нм. Так, при інтервалі 0,8 нм між сусідніми довжинами хвиль у вікні 1530-1560 нм, відповідному робочої області оптичного підсилювача EDFA, може розміститися близько 40 довжин хвиль - 40 каналів. Причому смуга пропускання на кожен канал досягає 10 Гбіт / с і більше [8]. Технічно реалізовані оптичні передавачі на основі тимчасового мультиплексування - TDM, здатні вводити в волокно оптичний TDM сигнал з частотою 100 ГГц в розрахунку на один канал, в результат чого повна місткість одного волокна становить 4 Тбіт / с (при 40 каналах хвильового ущільнення) [9] . Але передати такий сигнал на великі відстані не просто. Одним з головних чинників, що перешкоджають цьому, є дисперсія.
Дисперсія і смуга пропускання
Через оптичне волокно передається не просто світлова енергія, але також корисний інформаційний сигнал. Імпульси світла, послідовність яких визначає інформаційний потік, в процесі поширення розпливаються. При досить великому розширенні імпульси починають перекриватися, так що стає неможливим їх виділення при прийомі.
Дисперсія - розширення імпульсів - має розмірність часу і визначається як квадратична різниця тривалостей імпульсів на виході і
вході кабелю довжини L за формулою τ (L) = t out 2 - t in 2 [10]. зазвичай дисперсія
нормується в розрахунку на 1 км, і вимірюється в пс / км. Дисперсія в загальному випадку характеризується трьома основними факторами, які розглядаються нижче:
- різницею швидкостей поширення направляються мод (межмодовой дисперсією τ mod),
- напрямними властивостями световодной структури (хвилеводної дисперсією
- властивостями матеріалу оптичного волокна (матеріальної диспепсією τ mat).
Чим менше значення дисперсії, тим більший потік інформації можна передати по волокну. Результуюча дисперсія т визначається з формули:
передачі і верхню частоту переданих сигналів. Фізичний сенс W - це максимальна частота (частота модуляції) переданого сигналу при довжині лінії 1 км. Якщо дисперсія лінійно зростає з ростом відстані, то смуга пропускання залежить від відстані обернено пропорційно.
хроматична дисперсія
Хроматична дисперсія складається з матеріальної і хвилеводної складових і має місце при поширенні як в одномодовом, так і в багатомодового волокна. Однак найбільш чітко вона проявляється в одномодовом волокні через відсутність межмодовой дисперсії.
Матеріальна дисперсія обумовлена залежністю показника заломлення волокна від довжини хвилі. У вираз для дисперсії одномодового волокна входить диференційна залежність показника заломлення від довжини хвилі:
τ mat (Δ λ. L) = Δ λ L
де введені коефіцієнти М (λ) і N (λ) - питомі матеріальна й хвильова дисперсії відповідно, а Δλ (нм) - розширення довжини хвилі внаслідок некогерентности джерела випромінювання. Результуюче значення коефіцієнта питомої хроматичної дисперсії визначається як D (λ) = М (λ) + N (λ). Питома дисперсія має розмірність пс / (нм * км). Якщо коефіцієнт волноводной дисперсії завжди більше нуля, то коефіцієнт матеріальної дисперсії може бути як позитивним, так і негативним. І тут важливим є те, що при певній довжині хвилі (приблизно 1310 ± 10 нм для ступеневої одномодового волокна) відбувається взаємна компенсація М (λ) і В (λ), а результуюча дисперсія D (λ) звертається в нуль. Довжина хвилі, при якій це відбувається, називається довжиною хвилі нульової дисперсії λ 0. Зазвичай вказується певний діапазон довжин хвиль, в межах яких може варіюватися λ 0 для даного конкретного волокна.
Фірма Corning використовує наступний метод визначення питомої хроматичної дисперсії. Вимірюються затримки по часу при поширенні коротких імпульсів світла в волокні довжиною не менше 1 км. Після отримання вибірки даних для кількох довжин хвиль з діапазону інтерполяції (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 нм для SF і DSF) робиться повторна вибірка виміру затримок на тих же довжинах хвиль, але тільки на короткому еталонному волокні (довжина 2 м) . Часи затримок, отриманих на ньому, віднімаються з відповідних часів, отриманих на довгому волокні.
Для одномодового ступеневої і багатомодового градієнтного волокна використовується емпірична формула Селмейера (Sellmeier, [4]): τ (λ) = А + Вλ -2 + Сλ -2. Коефіцієнти А, В, С є підгінним, і вибираються так, щоб
експериментальні точки краще лягали на криву τ (λ), рис. 2.10. Тоді питома хроматична дисперсія обчислюється за формулою:
D (λ) = ∂τ / ∂λ = 2 (B λ + C λ -3) = S 0 (λ - λ 0 4 / λ 3) / 4,
де λ 0 = (С / В) 1/4 - довжина хвилі нульової дисперсії, новий параметр S 0 = 8B - нахил нульової дисперсії (розмірність пс / нм 2. км), а λ, - робоча довжина хвилі, для якої визначається питома хроматична дисперсія.
Для волокна зі зміщеною дисперсією емпірична формула тимчасових затримок записується у вигляді τ (λ) = А + Bλ + C. λ. lnλ, а відповідна питома
дисперсія визначається як
D (λ) = ∂τ / ∂λ = B + C + Cln λ = λ 0 S 0 ln (λ / λ 0),
зі значеннями параметрів λ 0 = е - (1 + В / С) і S 0 = C / λ 0. де λ - робоча довжина хвилі, λ 0 - довжина хвилі нульової дисперсії, і S 0 - нахил нульової дисперсії.
Хроматична дисперсія пов'язана з питомою хроматичної дисперсією простим співвідношенням τ chr (λ) = D (λ). Δλ, де Δλ - ширина спектра випромінювання джерела. До зменшення хроматичної дисперсії веде використання більш когерентних джерел випромінювання, наприклад лазерних передавачів (Δλ = 2 нм), і використання робочої довжини хвилі ближчою до довжини хвилі нульової дисперсії. У табл. 2.4 представлені дисперсійні властивості різних оптичних волокон.
Таблиця 2.4. Дисперсія оптичних сигналів в різних оптичних волокнах
Для того, щоб при передачі сигналу зберігалося його прийнятне якість - співвідношення сигнал / шум було не нижче певного значення - необхідно, щоб смуга пропускання волокна на довжині хвилі передачі перевершувала частоту модуляції. Нижче наводяться приклади розрахунку допустимої довжини сегмента з використанням табл. 2.4.
Приклад 2.1. Стандарт Ethernet для багатомодового волокна. Оптичний інтерфейс 10Base-FL передбачає манчестерське кодування з частотою модуляції 20 МГц. При використанні світлодіодів з Δλ = 35 нм (850 нм) питома смуга пропускання для волокна 50/125 становить 125 МГц км і при довжині оптичного сегмента 4 км буде 31 МГц, що більше 20 МГц. Тобто, з точки зору дисперсії, протяжність в 4 км є допустимою при зазначеній характеристиці оптичного передавача і при даному типі волокна. Однак по загасання, яке на цій довжині хвилі становить 3 дБ / км, динамічного діапазону у стандартних приймачів на яку може не вистачити. Стандартом Ethernet 10Base-FL встановлено допустима відстань 2 км з урахуванням менш суворих вимог як до характеристик кабельної системи (наприклад волокно 62,5 / 125, наявність декількох сухих сполучних стиків), так і до оптичних приемопередатчиком - оптичним трансівера Ethernet (наприклад Δλ = 50 нм).
Приклад 2.2. Стандарт FDDI для багатомодового волокна. Оптичний інтерфейс FDDI PMD передбачає кодування 4В / 5В із частотою модуляції 125 МГц. При використанні світлодіодів з Δλ = 35 нм (1310 нм) питома смуга пропускання для волокна 62,5 / 125 становить 450 МГц км, і при довжині оптичного сегмента 2 км буде 225 МГц, що більше 125 МГц, тобто, з точки зору дисперсії, протяжність в 2 км є допустимою, що знаходиться в повній відповідності зі стандартом FDDI PMD на багатомодове волокно.
Слабка залежність смуги пропускання багатомодового волокна (наприклад 62,5 / 125) від спектральної ширини джерела випромінювання, що працює на довжині хвилі 1310 нм (450 МГц км при Δλ = 35 нм, і 452 МГц км при Δλ = 2 нм), пояснюється незначною часткою хроматичної дисперсії в порівнянні з межмодовой в силу близькості робочої довжини хвилі до довжини хвилі нульової дисперсії. Таким чином, технічні вимоги до спектральної смузі оптичних передавачів для роботи по многомодовому волокну на довжині 1310 нм зазвичай слабкі.
Приклад 2.3. Стандарт Fast Ethernet для одномодового волокна.