Пассивные оптические элементы

Качество связи и эксплуатационные расходы любой ВОСП во многом определяются ее пассивными оптическими элементами.

К ним относятся: аттенюаторы (ослабители); оптические изоляторы; оптические разветвители и разъемные соединители.

Наибольшее преимущество пассивных оптических элементов про­является в полностью оптических сетях, в которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, ретрансляции сигналов играют чисто оптические технологии. Такие сети способны обеспечить гигантскую полосу пропускания для реализации существующих и перспективных сетевых технологий на основе лазеров с перестраиваемой длиной волны, оптических волновых мультиплексоров, широкополосных оптических усилителей и коммутаторов.

Аттенюаторы применяются в ВОСП для уменьшения оптической мощности, падающей на фотодетектор, во избежание насыщения приемника и сокращения срока его службы, а также для уравновешивания уровней оптической мощности в пассивных волоконно-оптических сетях. Они устанавливаются как на передающей, так и на приемной стороне оборудования ВОСП.

Существуют постоянные и переменные аттенюаторы. Последние применяются, как правило, в течение срока службы ВОСП для пери­одической подстройки передаваемой, а чаще принимаемой оптической мощности.

По принципу действия различают аттенюаторы с контактирующими и не контактирующими волокнами.

На оптические характеристики аттенюаторов влияют: диапазон за­тухания, рабочая длина волны, затухание мощности обратного рассеяния, спектральная чувствительность, чувствительность к поляризации, повторяемость затухания переменных аттенюаторов, тип оптического волокна (одномодовое, многомодовое). В таблице 17 приведены основные характеристики аттенюаторов.

Таблица 17

Наименование характеристики	Численное значение
Диапазон затуханий	5...20 дБ
Максимальное отклонение от номинального значения затухания	От ±1 до ±2 дБ
Диапазон рабочих частот	От 1270 до 1600 нм
Потери обратнорассеянной мощности	От 20 до 50 дБ
Спектральная чувствительность	Большая
Чувствительность к поляризации	Слабая или отсутствует (< 0,5 дБ)
Повторяемость	± 2 дБ

В ВОСП используются аттенюаторы-шнуры, аттенюаторы-розетки, ат­тенюаторы FM-розетки. Аттенюаторы-шнуры оконцовываются с обеих сторон стандартными соединителями (ST, SC, FC). Затухание в шнуре обеспечивается благодаря специальному волокну.

Тема 1.3.4 Параметры передачи оптических волокон

Затухание световых сигналов

Одним из факторов, ограничивающих дальность оптической связи, является затухание сигналов. Кварцевое стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки для изменения показателя преломления сердцевины или оболочки ОВ, что вызывает потери мощности сигнала на поглощение и рассеяние. Германий и фосфор увеличивают показатель преломления кварцевого стекла, а бор и фтор — наоборот уменьшают его.

Потери на поглощение. При поглощении происходит преобразование световой энергии в тепловую.

Потери на поглощение состоят из собственного поглощения в ульт­рафиолетовой и инфракрасной областях спектра и поглощения световых квантов ионами металлов переходной группы (железа, кобальта, хрома, никеля, меди) и ионами гидроксильных групп, представляющих собой вредные примеси в плавленном кварцевом стекле, из которого изготовляют волокна. Например, медь при концентрации одна часть на миллион основного вещества вызывает затухание в несколько сотен децибел на километр в диапазоне длин волн 0,8 мкм, а такая же концентрация ионов ОН обуславливает затухание 35 дБ/км при длине волны 1,39 мкм. В зависимости от вида примеси особенно большое поглощение имеет место при определенных длинах волн, что может быть использовано для определения вида и контроля количества примесей в плавленом кварце.

Потери на рассеяние. Процесс рассеяния сводится к генерации вторичных волн молекулами или частицами под действием падающего на них излучения. Если линейные размеры частицы меньше, чем примерно 1/15 длины волны, то рассеяние называется «рэлеевским». Эффект рэлеевского рассеяния проявляется в том, что при распространении световых лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления (в однородной среде от прямолинейного направления). При этом угол падения луча на границу сердцевина — оболочка может стать меньше угла полного внутреннего отражения и луч выйдет из волокна. По аналогичной причине часть лучей может начать распространяться в обратном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Поэтому, чем большая длина волны использована при передаче световых сигналов по оптическому волокну, тем меньше потери в нем на рэлеевское рассеяние.

Суммарные потери на рэлеевское рассеяние и собственное поглощение в оптическом волокне определяют теоретический минимум потерь в волокне.

Рисунок 88 - Зависимость затухания одномодового волокна от длины волны

На рисунке 88 приведена спектральная зависимость потерь одномодового световода, легированного германием, где показаны экспериментальная кривая 1 и теоретические кривые инфракрасного 2 и ультрафиолетового поглощения 3, рэлеевского рассеяния 4. Как видно из рисунка, в длинноволновой области спектра имеются два окна прозрачности — на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Поэтому эти длины волн используют в современных оптических системах дальней связи. Теоретический ми­нимум потерь для кварцевых ОВ на длине волны = 1,55 мкм около 0,14 дБ / км. При передаче по многомодовым волокнам используется первое окно прозрачности = 0,85 мкм и второе — = 1,3 мкм. Кварцевое стекло существенно поглощает свет на длинах волн свыше 1,6 мкм., что и обуславливает рост затухания в области длинных волн. Особенность оптического волокна как направляющей системы состоит в том, что в ней возникают дополнительные потери энергии передаваемого сигнала из-за микроизгибов, связанных с нанесением первичного покрытия, а также макроизгибов кабеля. Потери на изгибах. Пояснение возникновения потерь на изгибе дано на рисунок 89.

Рисунок 89 -Потери на изгибах оптического волокна

На прямолинейном участке луч света, распространяющийся под углом ф1, большим, чем предельный угол фпр, может падать на изгибе на границу сердцевина — оболочка под углом Ф2<ф . Угол уменьшается с уменьшением радиуса изгиба, поэтому потери на изгибе возрастают с уменьшением радиуса Потери на изгибах подразделяются на два вида: потери на микроизгибах и потери на макроизгибах. Снижение потерь на микроизгибах связано с совершенстваванием технологии производства оптического волокна.

Микроизгибом волокна называется изгиб оптического волокна, который влечет за собой смещение волокна порядка нескольких микрон относительно его оси, обусловленное различием боковых давлений на волокно по его длине. Он может быть вызван механическими деформациями при изготовлении кабеля и его прокладке, а также изменениями геометрических размеров материалов кабеля вследствие изменений температуры окружающей среды в процессе эксплуатации. Для уменьшения потерь, обусловленных микроизгибом, необходимо не допускать усилий, случайно прикладываемых к волокну вдоль его оси при изготовлении кабеля, а также во время и после прокладки кабеля.

Макроизгиб волокна является результирующим искривлением оптического волокна после изготовления и прокладки кабеля. Макроизгиб может вызвать увеличение оптических потерь. Оптические потери увели­чиваются с уменьшением радиуса изгиба. При правильной прокладке кабеля его затухание будет несколько меньше по сравнению со значением, измеренным на барабане, за счет меньших макроизгибов.

В реальных ОВ из-за большого числа случайных причин, приводящих к резкому возрастанию потерь, основным методом определения затухания является его измерение. На заводах измеряют затухание всех ОВ на заданной длине волны и данные измерений заносят в паспорт.