1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Некоммерческое акционерное общество
«Алматинский университет энергетики и связи»
Кадыров Х.Г., Елизарова Е.Ю., Данько Е.Т
АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
Учебное пособие
Алматы 2015
2 УДК [681.7.068:621.391.6] (075.8)
ББК 32.845 K13
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор И.Я.Ф.
О.П. Максимкин,
доктор технических наук профессор КазНТУ В.А. Луганов
кандидат технических наук, доцент кафедры физики АУЭС, А.М.Саламатина
Рекомендовано к изданию Ученым советом Алматинского университета энергетики и связи (Протокол № 9 от 10.05.2014 г.). Печатается по
тематическому плану выпуска учебной литературы АУЭС на 2014 год.
позиция 25
Кадыров Х.Г., Елизарова Е.Ю., Данько Е.Т.
К13 Дан обзор основных элементов ВОСП, структурные и принципиальные схемы. Учебное пособие (для студентов высших учебных заведений специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»). Х.Г.Кадыров, Е.Ю.Елизарова, Е.Т. Данько.- Алматы: АУЭС, 2015 – 121 с.: табл. 8, ил. 30, библиогр. - 13 назв.
ISBN 978-601-7436-364
В учебном пособии обобщены и систематезировоны сведения о современных волоконно-оптических системах передачи.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации».
УДК [681.7.068:621.391.6] (075.8) ББК 32.845
ISBN 978-601-7436-364
©АУЭС, 2015 Кадыров Х.Г, Елизарова Е.Ю., Данько Е.Т.,2015
3
Содержание
Введение………
1 Основы построения ВОСП………...
1.1 Основные определения систем передачи………
1.2 Вопросы теории света………..
1.3 Распространение световых лучей в оптических волокнах………
1.4 Конструкция оптического волокна ……….
1.5 Классификация ВОСП по методам мультиплексирования………
1.6 Факторы шумов и искажений волоконно-оптической линии передачи...
1.6.1 Оптические потери в одномодовых волокнах……….
1.6.2 Дисперсионные характеристики одномодовых оптических волокон…
1.6.3 Нелинейные эффекты в волоконной оптике………
2 Источники оптического излучения………
2.1 Характеристики полупроводниковых материалов………
2.2 Светоизлучающие диоды………..
2.3 Лазерные диоды……….
2.4 Характеристики источников излучения………..
2.5 Соединение источника с волокном………..
3 Модуляция излучения источников………..
3.1 Прямая (непосредственная) модуляция………..
3.1.1 Математическое описание работы модулятора………..
3.1.2 Основные характеристики прямой модуляции………
3.2 Внешняя модуляция………..
3.3 Обобщенная схема передающего оптического модуля (ПОМ)………….
4 Приемники излучения ВОСП………..
4.1 Принцип действия фотодиодов ………...
4.2 Основные характеристики ФД……….
4.3 Приемные оптические модули (ПрОМ)………..
4.4 Шумы фотоприемных устройств (ФПУ)………
5 Линейный тракт ВОСП………
5.1 Расчет длины регенерационного участка одноволновых ВОСП……….
5.2 Линейные коды ВОСП……….
5.3 Ретрансляторы ВОСП………..
5.3.1 Полупроводниковые оптические усилители………..
5.3.2 Волоконно-оптические усилители………..
5.3.3 Волоконные усилители, использующие эффект вынужденного
комбинационного рассеяния (ВКР)………..
5.3.4 Волоконные усилители, использующие вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна……….
Приложения ……...………..
6 7 7 8 11 12 13 15 16 18 19 22 22 28 30 36 39 43 44 45 47 53 57 60 60 63 65 67 74 75 77 83 84 86 91 98 108 Список литературы ………... 121
4
Введение
В последние годы рост потребности в услугах связи для различных сфер деятельности людей обусловил бурное развитие средств телекоммуникаций во всех цивилизованных странах. Оптическое волокно (ОВ) оказалось именно той средой передачи, которая смогла удовлетворить возрастающие потребности людей в обмене информацией. Оптическое волокно и волоконно- оптическая техника играют в современной связи определяющее значение, первое – как среда для оптической цифровой передачи, вторая как набор средств, дающих возможность осуществления такой передачи.
Самые современные достижения науки становятся быстро востребованными и реализованными в волоконно-оптических системах связи.
Процесс разработки, производства и внедрения новых систем происходит с такой скоростью, что нередко публикации о результатах этих исследований и разработок отстают от темпов их внедрения в практику. Поэтому специалисты весьма ограничены в доступе к последним достижениям в этой области.
Причина этого – почти полное отсутствие современных учебников и ограниченное количество изданных учебных пособий, высокая стоимость научно-производственных изданий по оптической связи, поставка документации на иностранных языках. В этой связи еще более остро встает проблема обеспечения студентов современной и доступной литературой.
5 1 Основы построения ВОСП
1.1 Основные определения систем передачи
Система передачи (СП) – комплекс технических средств, обеспечивающий образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи.
Линейный тракт – комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью соответствующей данной системе передачи. В зависимости от типа системы передачи линейный тракт называют аналоговым или цифровым.
Волоконно-оптическая линия передачи (ВОЛП) – совокупность линейных трактов волоконно-оптических систем передачи, имеющих общий оптический кабель, линейные сооружения и устройства их обслуживания.
Тракт групповой представляет собой комплекс технических средств, предназначенный для передачи сигналов электросвязи нормализованного числа каналов тональной частоты (ТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) в полосе частот или со скоростью передачи, соответствующей данному групповому тракту. В зависимости от нормализованного числа каналов групповой тракт называют первичным, вторичным, третичным, четверичным или N-ым групповым трактом.
Канал передачи – комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети. Каналы подразделяются на аналоговые и цифровые (канал ТЧ 0,3…3,4 кГц, ОЦК 64 кбит/с). Для их согласования применяются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).
Волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) – проводная система передачи, в которой все виды сигналов передаются по оптическому кабелю.
Быстрое и широкое внедрение ВОСП обусловлено рядом преимуществ данных систем.
Основные преимущества ВОСП следующие:
1) Широкая полоса пропускания (полоса пропускания оптического диапазона 187,5 ТГц).
2) Низкое значение коэффициента затухания оптического кабеля в широкой полосе частот, что позволяет обеспечивать большие длины регенерационных участков, значительно сократить или исключить ретрансляторы.
3) Высокая защищенность от внешних электромагнитных помех (оптическая связь не восприимчива к любым внешним и перекрестным
6
электромагнитным помехам, не генерирует собственные электрические шумы).
4) Неограниченные запасы сырья для производства ОВ (кварц), малая металлоемкость и отсутствие дефицитных материалов (медь, свинец) в оптическом кабеле.
5) Малые размеры и масса ОК, что снижает затраты на его транспортировку и прокладку.
6) Высокая защищенность от несанкционированного доступа в связи с малой интенсивностью рассеиваемого излучения.
7) Высокая надежность и безопасность, обусловленная отсутствием коротких замыканий.
8) Пригодность прокладки ОК по существующим трассам, возможность при совершенствовании технологии оптической передачи наращивания пропускной способности уже проложенного ОК.
1.2 Вопросы теории света
Оптикой называется раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. В физике все виды материи разделяѐтся по природе либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны – в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что чѐткой границы между частицами и волнами не существует. Поведение, как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.
Частицы света называются фотонами. Фотоны представляют собой квант, или пакет излучения, который является элементарной единицей излучения. Количество энергии, переносимое квантом, зависит от его частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии.
Длинам волн фиолетового диапазона соответствует большее количество энергии, чем красному цвету, так как фиолетовому диапазону соответствуют большие частоты. Энергия Е (в ваттах), запасѐнная в одном фотоне, равна:
E = hf, (1.1)
где f – его частота и h – постоянная Планка, равная 6,63 х 10–34 Джсек (Джоульсекунда). Из этого уравнения видно, что энергия фотона зависит только от его частоты (или длины волны). Энергия фотона пропорциональна частоте. Квант энергии света, заключѐнной в одном фотоне, равен hf.
Чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.
Инфракрасный свет (1013 Гц) 6,63 10–20 Джсек . Видимый свет (1014 Гц) 6,63 10–19 Джсек.
Ультрафиолетовый свет (1015 Гц) т 6,63 10–18 Джсек.
Рентгеновские лучи (1018 Гц) 6,63 10–15 Джсек.
7
Фотон является частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то он не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как материальный предмет. Он служит вместилищем энергии, но ведѐт себя как частица.
Длина волны в вакууме 0,3 нм 300км 300м 30м 3м 30см 0,3мм 3мкм 0,3мкм
Средние Инфракрасный
Ультрафиолетовый
волны СВЧ диапазон диапазон
Длинные Короткие Микроволны волны волны
4 нэВ 4 мкэВ 4 мэВ 4 эВ Энергия 4кэВ
фотона
Рисунок 1.1 - Спектр электромагнитных колебаний
В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну.
Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, характеристики оптического волокна основаны на длине волны, и свет рассматривается как волна. Для описания работы одномодового волокна пригодна только волновая теория.
Поскольку корпускулы излучаются отдельными порциями (квантами), здесь для описания работы многомодового волокна пригодна лучевая теория.
Кроме того, испускание света источником или его поглощение детектором также лучше описываются теорией частиц.
Два гармонических колебания s1 и s 2 называются когерентными, если разность их фаз не зависит от времени:
Ф t Ф t
0dt d
1
2 и
t Ф
t const.Ф2 1
Поскольку Ф2
t Ф1
t 2 1
t 2 1
, то циклические частоты когерентных колебаний должны быть одинаковы, т. е. 2 1. В любой момент времени разность фаз когерентных колебаний равна разности их начальных фаз: Ф2
t Ф1
t 2 1
. Соответственно результирующие колебания – гармонические с той же циклической частотой .Источники когерентных волн называются когерентными источниками.
Синусоидальные волны, частоты которых одинаковы, когерентны всегда.
1 кГц 1МГц 1ГГц 1012Гц 1015Гц 1018Гц
Видимая область спектра
8
Гармонические колебания, частоты которых различны (ω1 ≠ ω2) некогерентны.
Однако следует помнить, что два гармонических колебания с различными циклическими частотами ω1 и ω2 можно приближѐнно считать когерентными лишь в течение промежутка времени t, за который разность фаз этих колебаний изменяется незначительно (Δt « τког).
Время когерентности рассматриваемых колебаний рассчитывается по формуле:
.
1 2
ког 2
(1.2) Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от отношения между фазами этих волн. Интерферировать могут только когерентные волны, которым соответствуют колебания, совершающиеся вдоль одного и того же или близких направлений.
Под дифракцией света понимают огибание светом встречных препятствий, т. е. отклонение от законов геометрической оптики.
Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны при еѐ распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего другой спектральный состав и иные направления распространения (например, фотолюминесценция). Поглощение света может вызвать нагревание вещества, возбуждение и ионизацию атомов или молекул и др.
Поглощение света описывается законом Бугера – Ламберта (закон Бугера), согласно которому интенсивность I плоской волны монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциальному закону:
I I0eax. (1.3) Здесь I0 и I – значения интенсивности света на входе и выходе из слоя среды толщиной x, а a – натуральный показатель преломления среды, который зависит от химической природы и состояния поглощающей среды и от длины волны света λ.
Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распространения света.
Рассеяние света происходит в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке вследствие флуктуаций плотности среды (рэлеевское рассеяние) либо за счѐт присутствия в среде инородных малых частиц, т. к. во всех типах стѐкол, как правило, имеются примеси (такие, как окислы металлов, ионы переходного металла),
9
размеры которых гораздо меньше, чем длина волны. В первом случае рассеяние света называется молекулярным рассеянием, а во втором – рассеянием света в мутной среде.
Количество рассеиваемой энергии зависит от плотности расположения дефектов.
Молекулярное рассеяние света в чистых средах, не содержащих инородных примесей, обусловлено неоднородностями, которые возникают в процессе беспорядочного теплового движения частиц среды. Эти неоднородности связаны с флуктуациями плотности, а в средах с анизотропными (полярными) молекулами – также с флуктуациями ориентации этих молекул. Среда называется изотропной, если еѐ физические свойства, существенные в рассматриваемых задачах, одинаковы во всех направлениях.
В соответствии с законом Рэлея интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвѐртой степени
4 . Поэтому она быстро уменьшается по мере роста длины волны.Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости vф света от его частоты f. Существование дисперсии света в среде обусловлено тем, что еѐ показатель преломления n зависит то частоты f.
1.3 Распространение световых лучей в оптических волокнах
Как правило, гармоническая волна имеет неплоские волновые поверхности. На каждом малом участке волновую поверхность можно заменить частью плоскости, касательную к ней в рассматриваемой точке.
Рисунок 1.2 –Распространение света
В результате приходим к теории световых лучей, направленных по нормали к волновым поверхностям, то есть к геометрической оптике.
Величиной grad S определяется световой луч в каждой точке волновой поверхности.
Нужно хорошо усвоить, что физический смысл плоской волны и физический смысл световых лучей (иначе говоря, геометрической оптики) один и тот же.
Пучок локально параллельных световых лучей.
n S grad
10
Законы геометрической оптики используются для описания и анализа процесса передачи оптических сигналов, когда длина волны излучения значительно меньше размеров диаметра сердцевины ОВ, то есть << 2R, где R – радиус сердцевины.
В геометрической оптике световые волны изображаются световыми лучами, которые распространяются в однородной среде прямолинейно.
При попадании на границу раздела двух сред с разными значениями показателей преломления световой луч изменяет своѐ направление и в общем случае появляется преломленный и отражѐнный лучи.
Показатель преломления, обозначаемый n, является безразмерной величиной, выражаемый через отношение скорости света в вакууме (с) к скорости света а материале (v):
v n c
(1.4) Среда, у которой показатель преломления больше, называется оптически более плотной, в противном случае – менее плотной.
Соотношения между углами падения п, отражения отр и преломления
пр определяются законом Снеллиуса:
п = отр и n1 Sin п = n2 Sin пр , (1.5) или 21,
1
2 n
n n Sin
Sin
пр
n
если n1 n2, то пр п.
Путѐм увеличения угла падения можно достичь состояния, при котором преломленный луч будет скользить по границе раздела сред, не переходя в другую среду, т. е. пр= /2. Угол падения, при котором имеет место данный эффект, называется критическим углом кр полного внутреннего отражения:
1 2
n Sinn
кр arc
. (1.6) Очевидно, что для всех углов падения, больших критического (п кр), будут иметь место только отражения, а преломления будут отсутствовать. Это явление называется полным внутренним отражением. На этом эффекте основан принцип передачи оптического излучения по оптическим волноводам.
11
Свет отклоняется от перпндикуляра
Рисунок 1.3 – Законы преломления и отражения
Даже когда свет проходит в более плотную среду, некоторая его часть отражается назад в исходную среду. Этот эффект получил название отражение Френеля. Чем больше разница показателей преломления сред, тем больше доля света отражается назад. Показатель Френелевского отражения F на границе с воздухом равен:
.
2
1 n
1
F n
(1.7) В децибелах потери переданного света составляют:
дБ = -10 log (1-F).
п
пп
п п
отр
пр
п - угол падения; п = отр
отр – угол отражения; пр п
пр – угол преломления.
n1 n2 n1 n2
кр
900
кр- критический угол n1
n2
Луч не попадает во второй материал
п отр
n1
n2
п = отр. Угол падения равен углу отражения.
Если угол падения больше критического, то свет будет отражѐн от границы двух сред
12
Для света, падающего из воздуха на границу стекла (n = 1,5 для стекла), Френелевское отражение равно примерно 0,17 дБ. Поскольку такого рода потери происходят как при вхождении света в стекло, так и при выходе из него, то потери на соединении двух стѐкол составляют 0,34 дБ. Френелевское отражение не зависит от направления прохождения двух сред.
1.5 Классификация ВОСП по методам мультиплексирования
ВОСП с ВРК или временным мультиплексированием TDM – ВОСП, в которой для передачи в одном направлении нескольких сигналов по одному волокну каждому сигналу отводятся определенные интервалы времени.
ВОСП-СР или мультиплексирование с разделением по длине волны WDM – ВОСП в которой для передачи в одном или двух противоположных направлениях нескольких сигналов по одному волокну используются источники излучения с различными длинами волн для передачи каждого сигнала.
1 1
1
n
i
Линейный тракт ВОСП
1
i
n
Рисунок 1.4 - Обобщенная схема ВОСП
Назначение компонентов схемы ВОСП:
1) MUX – электрический мультиплексор объединяет независимые каналы или потоки (1…n) на передаче и разделяет их на приеме.
13
2) Наибольшее распространение получили мультиплексоры цифровых технологий передачи:
PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy – плезиохронной цифровой иерархии;
SDH, Synchronous Digital Hierarchy – синхронной цифровой иерархии;
АТМ, Asynchronous Transfer Mode асинхронного режима передачи . 3) ПКпер - преобразователь кода передачи формирует сигнал в линейном коде, который обеспечивает высокую помехозащищенность, устойчивую синхронизацию и контроль работы промежуточных устройств.
4) ПОМ – передающий оптический модуль производит преобразование электрического сигнала в оптический, модуляцию оптического излучения и стык с оптической средой. Оптический интерфейс (стык) на выходе ПОМ определяет параметры аппаратуры и линии.
5) Основные компоненты ПОМ:
источник излучения (светоизлучающий диод СИД, лазерный диод ЛД);
оптический модулятор при внешней модуляции излучения;
элементы согласования источника с оптическим волокном (линзы, пигтейлы).
6) OMUX WDM – оптический мультиплексор объединяет в ВОСП – WDM определенное количество каналов образованных на различных оптических несущих длинах волн i (частотах).
7) ОУпер – оптический усилитель передачи увеличивает мощность одиноволнового или многоволнового сигнала.
Промежуточная станция может быть представлена электрическими или оптическими мультиплексорами ввода – вывода, электрическими или оптическими кросс-коммутаторами или оптическими ретрансляторами (ОР).
Виды ОР:
электронный регенератор, регенерационный ретранслятор (регенератор ЦСП) с оптическими конверторами.
линейный оптический усилитель (ОУ).
8) ПрОМ – приемный оптический модуль преобразует оптический сигнал в электрический, производит усиление, коррекцию и регенерацию сигнала. При этом выделяется тактовая частота, которая используется для синхронизации приемной части мультиплексора с целью правильного демультиплексирования каналов.
Основные части ПрОМ:
элементы соединения ПрОМ с оптическим волокном;
фотодиод (p-i-n ФД, лавинный ФД);
опорный оптический генератор (ООГ) при фотодетектировании с преобразованием;
усилительные и корректирующие каскады;
14
блок регенерации сигнала.
9) ОУпр – оптический усилитель приема повышает чувствительность фотодиода.
10) ОDMUX WDM – оптический демультиплексор разделяет многоволновый сигнал ВОСП-WDM.
11) ПКпр – преобразователь кода приема, преобразует оптический линейный код в стыковой код электрического интерфейса по рекомендации МСЭ–Т (ITU-T) G.703.
1.6 Факторы шумов и искажений волоконно-оптической линии передачи
В целом, в соответствие со структурной схемой ВОСП, шумы и искажения сигналов волоконно-оптической линии передачи разделяют на шумы источника излучения, шумы фотоприемного устройства и линейные шумы и искажения. К основным шумам источника излучения относятся собственные шумы лазера, фазовый шум и шумы обусловленные оптической обратной связью, чирп-эффект. Основные шумы фотоприемного устройства – это тепловые и дробовые шумы фотодиода и шумы предусилителя. Линейные шумы - это, в первую очередь, шумы межсимвольной интерференции (ISI), которые включают в себя перекрестные помехи и шумы синхронизации.
Основные факторы искажений оптических импульсов при распространении в оптических волокнах – потери, дисперсия и нелинейные эффекты.
1.6.1 Оптические потери в одномодовых волокнах.
Типичная характеристика затухания кварцевого оптического волокна и ее эволюция с развитием технологии производства волокон представлена на рисунке 1.5.
К фундаментальным факторам потерь относятся механизмы поглощения и рассеяния. Основной вклад вносят потери за счет релеевского рассеяния и инфракрасного поглощения. До недавнего времени существенный вклад вносили потери, обусловленные поглощением на примесях – в основном на примесях гидроксильной группы ОН–. Эти потери носят резонансный характер. Дополнительные факторы потерь в оптических волокнах – это потери, вызванные микро- и макроизгибами волокна, потери, обусловленнуе флюктуациями диаметра сердцевины волокна (границы сердцевина- оболочка). Эти потери нередко называют кабельными.
Как показывает рисунке 1.5 в области малых длин волн затухание кварцевого оптического волокна уменьшается с увеличением длины волны в основном по закону Релеевского рассеяния. Релеевское рассеяние обусловлено флюктуациями показателя преломления материала сердцевины вдоль и поперек оси волокна, что приводит к рассеянию света на случайных
15
изменениях показателя преломления. Часть рассеянного светового потока образует поток обратного релеевского рассеяния, распространяющийся к источнику излучения, часть - попутный поток, направление распространения которого совпадает с направлением распространения полезного сигнала, а часть уходит в оболочку. Потери за счет релеевского рассеяния изменяются по закону
4
PP CPP , (1.8)
где – длина волны, мкм;
CPP – постоянная, которая зависит от состава материала сердцевины волокна и лежит в пределах CPP=0,7…0,9 мкм4дБ/км.
Инфракрасное поглощение
10.0
, дБ/км
1.0
0,1 1,0
Релеевское рассеяние потери ~ 1/4
1,2 1,4 1,6 , мкм
Восьмидесятые годы Девяностые годы с 2000г
производство волокон ZWP
OH-
Рисунок 1.5 - Зависимость затухания сигнала в ОВ
В области длин волн более 1,7 – 1,8 мкм начинают проявляться потери из-за инфракрасного поглощения в кварце, вызванного резонансами атомов в кристаллической решетке SiO2. Изменение затухания инфракрасного поглощения описывается формулой:
ИКП СИКП exp kИКП , (1.9)
где СИКП и kИКП – постоянные коэффициенты, которые для чистого кварца составляют порядка СИКП=0,9 дБ/км, kИКП=0,8 мкм.
16
Поглощения на примесях связаны с резонансами материала примеси. В частности, поглощением на примеси гидроксильной группы OH–- определяются пики потерь в областях длин волн 1383; 1240; 1130; 950; 875;
825 и 725 нм. Этот тип потерь зависит от технологии изготовления волокна. С разработкой более совершенных методов очистки материала кварцевого стекла от примесей и способов защиты от формирования примесей гидроксильной группы в стекле в дальнейшем были получены оптические волокна с пониженным водяным пиком (LPW – low water peak) или, как их еще называют, волокна с нулевым водяным пиком (ZWP –zero water peak). К волокнам этой группы относятся волокна AllWave (OFS) и SMF-28e (Corning).
Потери для таких волокон на «водяном» пике уменьшены до 0,31 дБ/км, что меньше чем на длине волны 1310 нм (0,35 дБ/км).
Фундаментальные механизмы потерь определяют область минимального затухания и теоретический предел минимума потерь кварцевого волокна, который составляет около 0,15 дБ/км на длине волны 1550 нм. Однако этот достичь этот предел не позволяют кабельные потери из- за микро- и макроизгибов волокна, флюктуаций его геометрических характеристик.
Диапазон работы ВОСП выбирается в области минимального затухания кварцевых оптических волокон и лежит в пределах 1260 -1675 нм. Выделяют шесть спектральных диапазонов, данные которых сведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Условное обозначение
Наименование Диапазон, нм
O Основной (original) 1260–1360
E Расширенный (expanded) 1360–1460
S Коротковолновый (short ) 1460–1530 C Стандартный (conventional) 1530–1565
L Длинноволновый (long) 1565–1625
U Сверх-длинноволновый (ultra-long)
1625–1675
Сегодня на местных сетях в основном работают в диапазоне O, а на магистральных в диапазонах C и L, где можно использовать оптические усилители на легированных эрбием волокнах EDFA (erbium doped fiber amplifier). Однако в последние годы с внедрением систем «грубого»
спектрального уплотнения (CWDM) начинают осваиваться все диапазоны. На рисунке 1.6 представлены спектральные характеристики затухания и дисперсии стандартного одномодового ступенчатого оптического волокна и расположение основных спектральных диапазонов.
17
Рисунок 1.6 - Спектральные характеристики затухания и дисперсии ОВ 1.6.2 Дисперсионные характеристики одномодовых оптических волокон.
Дисперсией оптических волокон называют увеличение длительности оптических импульсов при их распространении по оптическому волокну.
Дисперсия обусловлена тем, что отдельные составляющие оптического импульса распространяются с разной скоростью. Дисперсия ОВ создает переходные помехи, ведет к межсимвольным искажениям и, как следствие, ограничивает скорость передачи в линии (длину регенерационного участка), что поясняет рисунок 1.7.
Одномодовые оптические волокна характеризуются хроматической и поляризационной модовой дисперсией. Хроматическая дисперсия обусловлена конечной шириной линии излучения лазера и различием скоростей распространения отдельных спектральных составляющих оптического сигнала. Под хроматической дисперсией понимают изменение формы огибающей оптического сигнала, обусловленное зависимостью постоянной распространения моды от длины волны. Хроматическая дисперсия есть величина детерминированная. Она равна сумме материальной и волноводной дисперсии. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления материала сердцевины и оболочки от длины волны, которая, в свою очередь, вызывает изменения с длиной волны скорости распространения. Из известных из физики соотношений следует vg()=c/n(). Волноводная дисперсия обусловлена спектральной зависимостью скорости передачи, характер которой определяется профилем показателя преломления оптического волокна. Изменяя профиль показателя преломления, можно соответственно изменить спектральную характеристику хроматической дисперсии.
18
Рисунок 1.7 - Появление межсимвольных искажений из-за дисперсии в ОВ На рисунке 1.8 представлены типичные спектральные характеристики волноводной и материальной дисперсии волокна SSF.
Изменение хроматической дисперсии в области точки нулевой хроматической дисперсии и физический смысл ее отрицательных и положительных значений поясняет рисунок 1.9.
Рисунок 1.8 - Изменение дисперсионных характеристик ОВ
В качестве характеристик хроматической дисперсии оптических волокон используют коэффициент хроматической дисперсии D, имеющий размерность пс/(нм.км), коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0, имеющий размерность пс/(нм2.км) и относительный коэффициент наклона дисперсионной характеристики RDS S0/D с размерностью 1/нм. Последняя величина однозначно связана с полосой
19
пропускания оптического волокна и характеризует поведение дисперсионной характеристики в диапазоне длин волн.
Рисунок 1.9 - Физический смысл отрицательных и положительных значений дисперсии
Поляризационная модовая дисперсия (PMD - polarization mode dispersion) – величина случайная. Ее компенсировать значительно сложнее, чем хроматическую.
Рисунок 1.10 - Образование «быстрой» и «медленной» оси ОВ
Причина поляризационной модовой дисперсии - явление двулучепреломления, которое имеет место при нарушении круговой
20
симметрии геометрических характеристик или внутренних механических напряжений ОВ. Как следствие, в волокне образуются «быстрая» и
«медленная» оси, вдоль которых моды ортогональной поляризации распространяются с разной скоростью и, соответственно, приходят к концу некоторого отрезка оптического волокна в разное время (рисунок 1.10).
Другими словами, моды разной поляризации приходят с определенной задержкой относительно друг друга (DGD - differential group delay).
Однако, оптические волокна нерегулярны. Конструктивные характеристики и механические напряжения флюктуируют вдоль волокна.
Как следствие, вдоль волокна флюктуирует ориентация в пространстве
«быстрой» и «медленной» осей, что обусловливает случайный характер изменения связей мод отдельных отрезков волокна. В результате на протяженной линии передачи импульс «расплывается» (рисунок 1.11). А так как коэффициенты связей мод вдоль линии изменяются случайно, то коэффициент поляризационной модовой дисперсии имеет размерность пс/км1/2 и равен:
L
DGD / . (1.10)
Рисунок 1.11 - Искажение передаваемого импульса в ОВ
21 2 Источники оптического излучения
Источник оптического излучения преобразует электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения.
Требования к источникам излучения:
1) Совместимость с оптической средой передачи, т. е. длина волны излучения должна соответствовать окнам прозрачности ОВ.
2) Высокая мощность излучения и эффективный ввод излучения в волокно.
3) Узкая спектральная полоса излучения и высокое быстродействие при модуляции.
4) Длительный срок службы (не менее 105 часов).
5) Устойчивость источника к перегрузкам и изменению параметров окружающей среды.
6) Высокая технологичность производства и миниатюрность исполнения.
Указанным требованиям удовлетворяют полупроводниковые источники излучения.
2.1 Характеристики полупроводниковых материалов
При рассмотрении процесса излучения света источником либо его поглощения фотодиодом свет рассматривается с квантовой точки зрения.
Частицы света называются фотонами.
Ранее была отмечена связь энергии фотона Еф и параметров световой волны: Еф= hf , где h=6,62610-34 Джс – постоянная Планка, f – частота волны. Через связь длины световой волны и частоты энергия фотона:
Eф hc
f c , (2.1) где с=3108 м/с – скорость света.
- длина волны - пространственный интервал при прохождении, которого электромагнитная волна меняет свою фазу на 2.
Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic - собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей.
Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки. В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями (рисунок 2.1).
22
Рисунок 2.1
При температуре абсолютного нуля (T=0° K) все валентные электроны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник подобен диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда (рисунок 2.2). При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.
Рисунок 2.2
