Геометрические и оптические параметры
ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций
в качестве учебного пособия по специальностям:
Сети связи и системы коммутации»
Многоканальные телекоммуникационные системы»
Физика и техника оптической связи»
 |
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005
УДК 621.372.061
Глаголев С.Ф., Иванов B.C., Кочановский, Л.Н. Передаточные характеристикиоптических волокон: учебное пособие (спец. 21040 1,210404,210406) / СПбГУТ. СПб, 2005. ISBN 5-89160-045-5
Утверждено в качестве учебного пособия редакционно-издательским советом университета (2005, п. 42).
Приводятся конструктивные и оптические параметры ОВ, используемых в конструкциях оптических кабелей. Излагаются причины потерь мощности сигнала при распространении по ОВ, а также виды дисперсий световых импульсов в многомодовых и одномодовых волокнах. Описываются методы измерения передаточных характеристик ОВ.
Рецензент проф. Б.К. Чернов (СПбГУТ)
© С.Ф. Глаголев, B.C. Иванов, Л.Н. Кочановский, 2005
© Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2005
ISBN 5-89160-045-5
СОДЕРЖАНИЕ
Введение......................................................................................................................................... 4
1.Геометрические и оптические параметры оптических волокон........................................ 6
1.1.Геометрические параметры…………………………………………........................................ 6
1.2.Оптические параметры……………………………………....................................................... 8
1.2.1. Относительная разность показателей преломления................................................. 8
1.2.2.Числовая апертура...................................................................................................... 8
1.2.3. Нормированная частота…………………………………………………………………..…10
1.2.4.Число распространяющихся мод………………………………..……………………………12
1.2.5.Диаметр модового поля…………………………………………………..…..………………..13
1.2.6.Длина волны отсечки…………………………………………………………..……….……..14
2.Передаточные характеристики оптических волокон……………………………..…………..……15
2.1.Оптические потери в волокне…………………………………………………..…………………..…15
2.2.Потери на стыках оптических волокон……………………………………..………………………...20
2.3.Дисперсия импульсов………………………………………………..………………………………...24
2.3.1.Причины и виды дисперсии…………………………………………………..………..…….24
2.3.2.Показатель преломления материала…………………………………………..………..……28
2.3.3.Материальная дисперсия………………………………………………………..………..…..34
2.3.4.Межмодовая дисперсия………………………………………………………..…………..…37
2.3.5.Совместное влияние межмодовой и материальной дисперсий………………………...…..42
2.3.6.Дисперсия в ступенчатых одномодовых волокнах……………………………..………..…44
2.3.7.Поляризационная дисперсия…………………………………………………..………….…49
2.4.Ширина полосы пропускания………………………………………………..……………………….50
3.Характеристики современных оптических волокон……………………………..………….……53
3.1.Многомодовые градиентные оптические волокна……………………………..……………………53
3.2.Одномодовые волокна………………………………………………………..…………………….…55
3.2.1.Стандартные ООВ с несмещенной дисперсией…………………………………..…….…..55
3.2.2.ООВ со смещенной нулевой дисперсией………………………………………..……….…58
3.2.3.ООВ со смешенной ненулевой дисперсией…………………………………..………….…60
4.Измерение передаточных характеристик ОВ……………………………………..…………………..66
4.1.Методы измерения затухания…………………………………………………..…………..…66
4.2.Метод обрыва…………………………………………………………………..……………...67
4.3.Измерение вносимых потерь………………………………………………..…………….….70
4.4.Метод обратного рассеяния………………………………………………..…………………72
4.5.Измерение полосы пропускания и дисперсии оптических волокон………………………75
4.6.Измерение параметров формы оптических импульсов…………………………..…………77
Литература …………………………..…………………………..…………………………..…………..79
ВВЕДЕНИЕ
Научно-технический прогресс страны во многом определяется объемом и скоростью передачи информации. Обеспечить растущий объем передаваемой информации возможно лишь на основе применения волоконно-оптических кабелей, которые по сравнению с традиционными металлическими кабелями обладают определенными преимуществами, основные из которых:
- широкая полоса пропускания, позволяющая передавать сигналы со скоростью 1-2 Тбит/с и выше;
- низкий уровень потерь сигнала при распространении, позволяющий передавать сигналы без регенерации на расстояние порядка 120-350 км;
- нечувствительность к электромагнитным помехам, позволяющая прокладывать ВОК в местах с высоким уровнем таких помех, а также высокая защищенность от несанкционированного перехвата передаваемой информации;
- малые масса и размеры ВОК.
Использование света для передачи информации известно человечеству уже давно. Однако отсчет истории использования современных оптических систем передачи ведется с 1970 года, когда компания Corning Glass Works изготовила оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления и затуханием порядка 20 дБ/км. Такое затухание уже обеспечивало конкурентоспособность систем передачи информации по оптическому волокну.
В последующие годы совершенствование технологии производства оптических волокон (ОВ) развивалось быстрыми темпами. Было изготовлено (1973) градиентное многомодовое волокно с затуханием 4 дБ/км, и начато производство одномодового волокна (1983).
Оптическое волокно в настоящее время является самой совершенной физической средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Поэтому не случайно при построении современных информационных сетей наиболее часто используются волоконно-оптические кабели и системы.
Впервые волоконно-оптические кабели начали использоваться для военных целей в США (1973), а на телефонной сети первый волоконно-оптический кабель (ВОК) принят в эксплуатацию (1976). Широкомасштабное использование волоконно-оптических кабелей началось в 1980-х гг., когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности.
В настоящее время ВОК прочно занимают свои позиции, интенсивно развиваются и являются важнейшим элементом при построении магистральных, зоновых и местных первичных сетей взаимоувязанной сети связи (ВСС) России. С 1993 года строительство магистральных, а с 1996 и внутризоновых линий связи ведется в стране с использованием ВОК.
Последние годы являются периодом широкого внедрения ВОК. По всему миру поставщики услуг связи ежегодно прокладывают под землей, в тоннелях, по дну океанов и на ЛЭП десятки тысяч километров ВОК. Стремительными темпами идет замена кабелей с металлическими жилами на волоконно-оптические кабели на всех участках линий. Сегодня ВОК приближается к конечному пользователю, т. е. к абоненту.
В настоящее время в конструкциях ВОК наибольшее распространение получили стандартные одномодовые волокна, используемые в сетях электросвязи общего использования, и градиентные многомодовые волокна, используемые в локальных сетях.
Полоса пропускания современных одномодовых оптических волокон (ОВ) и оптических кабелей (ОК) составляет десятки терагерц (ТГц), а затухание на длине волны 1550 нм менее 2 дБ/км. Благодаря этому объем передаваемой информации по одному волокну в современных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) возрос до нескольких Тбит/с, а дальность передачи увеличилась до сотен километров без применения промежуточных пунктов регенерации сигналов.
Такое улучшение характеристик кабельных систем передачи позволило значительно повысить качество, как существующих услуг связи, так и создать целый ряд новых видов, для реализации которых используются высокоскоростные волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). На основе волоконно-оптических технологий созданы ВОЛС всех уровней: объектовые, городские, зоновые и магистральные со скоростями передачи цифровой информации до 10 Гбит/с.
За истекший период техника волоконно-оптической связи развивалась стремительно. Пройден путь от ступенчатых и градиентных многомодовых волокон (длина волны 0,85 мкм, скорость передачи 140 Мбит/с и коэффициент затухания 5 дБ/км) к одномодовым волокнам различного профиля (длины волн 1,3 и 1,55 мкм, скорости передачи 565 Мбит/с и 2,4 Гбит/с и коэффициент затухания 0,25 дБ/км).
Исследования в области волоконно-оптических технологий интенсивно продолжаются. К числу наиболее прогрессивных можно отнести технологию плотного волнового мультиплексирования DWDM, позволяющую значительно увеличить пропускную способность уже существующих волоконно-оптических магистралей.
В настоящее время применение оптических кабелей целесообразно и экономически эффективно на всех участках взаимоувязанной сети связи РФ. Использование ОК значительно повышает технико-экономические показатели систем передачи и обеспечивает возможность перехода к цифровым сетям интегрального обслуживания.
В заключение следует отметить, что если XX век был веком расцвета электрических кабелей связи, то век XXI станет веком оптических.
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН