Волоконные световоды для связи (стр. 4 из 5)

Показатель преломления градиентных волокон обычно имеет параболический профиль, который получают, вводя в однородную стеклянную нить специальные добавки. В результате, при прочих равных условиях, число распространяющихся мод уменьшается примерно в два раза в сравнении со ступенчатым волноводом.

Волоконно-оптические линии связи на многомодовом волокне обладают интересным свойством: полоса пропускания линейно зависит от длины кабеля, поэтому её измеряют не в абсолютных, а в удельных показателях, обычно в МГц·км. Так, волоконно-оптический кабель с характеристикой 100 МГц·км при длине 100 м будет иметь полосу пропускания 1 ГГц. Понять причину этого свойства нетрудно, рассмотрев, какое расстояние пройдет луч (мода) в зависимости от угла входа в световод (рис.6).

Рис.6.Распространение излучения в градиентном многомодовом волоконном световоде (1 – входной импульс; 2 – дисперсия; 3 – выходной области; 4 – коэффициент преломления)

Пусть в момент t = 0 на входе оптического волокна подается световой импульс. Его лучи будут распространяться в разных направлениях. Заданное расстояние L быстрее всех пройдет луч, идущий вдоль оси (φ=0). Последним придет луч, вошедший под критическим углом (φ = φкр). Величина запаздывания между ними определяется как

ΔT = (n1/n2)(L/c)Δn

где с - скорость света в оптоволокне.

Лучи, вошедшие в волновод под углом 0 < φ φкр, придут с запаздыванием в интервале 0... ΔТ. Таким образом, следующий импульс не может быть принят, пока не "утихнут" моды предыдущего. Удельная пропускная способность (от нее можно перейти к полосе пропускания) может быть вычислена так:

ΔT/L = (n1/n2)(Δn/c)

Эта формула не является точной, так как основана на предположении об идеальности источника света, световода и фотоприёмника. С её помощью можно давать только приблизительные оценки пропускной способности. Например, при Δn = 1% (реальное ступенчатое оптоволокно) пропускная способность составит ΔT/L = 3,3·10-8 мкс/км (или погонная полоса пропускания 300 МГц·км).

Для многомодового волокна с последовательным индексом коэффициент преломления плавно (последовательно) изменяется от максимума в самом центре до минимума по краям. Такая конструкция использует тот факт, что свет распространяется быстрее в материалах с низким коэффициентом преломления, чем в материалах с высоким коэффициентом. Поэтому световой импульс, распространяясь в таком волокне, имеет гораздо меньшую модовую дисперсию, а кабель за счёт этого - гораздо большую погонную полосу пропускания от 100 МГц·км до 1300 МГц·км. Наиболее популярный тип многомодового волокна, используемого в локальных компьютерных сетях, обычно обозначается как MM 62.5/125. Здесь ММ означает MultiMode или многомодовое волокно с диаметром сердечника 62,5 мкм и диаметром оболочки 125 мкм.

Из-за сложного процесса изготовления, градиентное оптическое волокно относительно дорого (даже дороже, чем одномодовое волокно), но зато пассивные элементы для него - не такие дорогие, как для одномодового волокна. Многомодовые градиентные волокна используются в небольших и средних телекоммуникационных системах, например, в локальных сетях.

5.2.2 Одномодовые волоконные световоды

Количество мод в существенной степени зависит от диаметра волокна. Так что если диаметр волокна окажется сравнимым с используемой длиной волны, то по волокну будет распространяться только одна мода (рис.7).

Рис.7.Одномодовый волоконный световод

Для точного вычисления максимального диаметра одномодового волокна можно воспользоваться формулой, которая определяет условие одномодовости:

где nс, nоб - показатели преломления сердцевины и оболочки;

λ - длина волны светового сигнала;

D - диаметр волокна.

В частности, для λ = 0,85 мкм, n = 1,46 и Δn = 0,002 одномодовое волокно должно иметь диаметр 8,5 мкм.

Из условия одномодовости вытекает важное следствие: оптоволокно некоторого малого диаметра при одной длине волны источника света будет одномодовым, а при другой - многомодовым.

Для волоконно-оптических линий с одномодовым волокном, где межмодовая дисперсия отсутствует, строгой линейной зависимости полосы пропускания от длины линии нет. Поэтому полоса пропускания этих линий измеряется в абсолютных, а не в удельных величинах.

Свою лепту в уменьшение пропускной способности вносит не только межмодовая дисперсия, но и так называемая хроматическая дисперсия (или дисперсия материала). Дело в том, что показатель преломления (скорость распространения света) зависит и от длины волны. Так как источники света (особенно светодиоды) испускают излучение в некотором диапазоне длин волн, то разность скоростей распространения создает дополнительное размывание светового импульса на приёмном торце.

Полоса пропускания одномодового волокна составляет около 30 ТГц, что на несколько порядков больше, чем у первых двух видов, и мало зависит от длины. В магистральных линиях, вследствие ограничений по частоте, вносимых оптическими усилителями, она ограничена 3 ТГц. Для одномодового волокна диаметр сердечника составляет 8 мкм, что гораздо ближе к обычно используемой длине волны 1300 нм. Это позволяет передавать свет одной нулевой модой и полностью устранить эффект модовой дисперсии, о котором шла речь выше. Однако дисперсия присутствует и называется частотной, она связана с тем, что свет с разной длиной волн (разного цвета) распространяется в волокне с различной скоростью. Таким образом, пропускная способность такого кабеля хотя и увеличивается, но остается ограниченной ~ 100 ГГц и в достаточно сильной степени зависит от спектральной чистоты источника света. Хотя такое волокно и позволяет передавать данные на гораздо большие расстояния - десятки километров, одномодовые системы достаточно дороги, потому что в качестве источника света в них используют сравнительно дорогие лазеры с очень узким спектральным составом излучаемого света. Наиболее популярный тип одномодового волокна обычно обозначается как SM 8/125. Здесь SM означает SingleMode или одномодовое волокно с диаметром сердечника 8 мкм и диаметром оболочки 125 мкм.

Сегодня одномодовые волокна, используемые в российских линиях, имеют затухание всего 0,22 дБ/км (оптическое волокно Sumitomo имеет затухание 0,154 дБ/км), а в лабораториях США получено так называемое фтороцирконатное волокно с ещё меньшим затуханием - всего 0,02 дБ/км.

Одномодовые волокна, благодаря широкой полосе пропускания, находят применение в крупных информационных магистралях. Характеристики одномодовых волокон таковы, что можно смело утверждать, что в будущем они будет играть доминирующую роль. Вдобавок, как показывает опыт, высокотехнологический продукт быстро падает в цене, как только его начинают производить в больших масштабах.

6. Значение волоконных световодов для связи

Мир вступает в третье тысячелетие и одновременно в информационную эпоху, или тера-эру. Последнее название отражает достигнутый недавно уровень скоростей передачи и обработки информации - 1012 (тера) бит/с и 1012 операций в секунду соответственно. Информационная эра характеризуется, с одной стороны, непрерывно растущими потребностями мирового сообщества в обмене информацией, а с другой - технической возможностью практически полностью удовлетворить их.

История цивилизации - это и история развития средств связи и передачи информации, потребности в обмене которой всегда превышали технические возможности. Поэтому любое государство особо заботилось о развитии техники связи, вкладывая большие средства и используя новейшие достижения науки и техники. В качестве примера можно привести полную драматизма историю прокладки телеграфного кабеля по дну Атлантического океана между Европой и Америкой в 1857-1858 гг., через 20 с небольшим лет после изобретения телеграфа Самюэлем Морзе. Это событие мирового значения прекрасно описано Стефаном Цвейгом в новелле "Первое слово из-за океана".

В этом же ряду - развитие радио- и волоконно-оптической связи. Последние конференции по волоконно-оптической связи - в 1999 г. в Сан-Диего (США) и в Ницце (Франция), а в марте этого года в Балтиморе (США) - продемонстрировали небывало бурное её развитие и выдающиеся результаты в увеличении скорости передачи информации по волоконному световоду.

Достижения в области источников света, оптических усилителей, волоконных световодов и других элементов систем со спектральным уплотнением каналов позволили всем крупным телекоммуникационным фирмам разработать системы связи со скоростью передачи информации более 1 Тбит/с. Вот несколько результатов, которые дают представление об уровне работ в этой области:

- для фирмы Lucent Technology Т.Н.Нильсен с соавторами разработал систему из 40 каналов с общей скоростью передачи информации 1.6 Тбит/с. Источниками излучения служили 40 полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью, а оптическим усилителем - гибридный (рамановский + эрбиевый).

- французские исследователи С. Биго и другие (Alcatel Corporate Research Center) объединили в одном волоконном световоде 150 каналов, скорость передачи информации каждого из них -10 Гбит/с, а суммарная - 1.5 Тбит/с. Источники излучения - 150 полупроводниковых лазеров, оптическим усилителем служит специальный эрбиевый с полосой усиления 80 нм.

Рис. 8. Изменение относительной информационной емкости систем связи за последние 100 лет

Из рис. 1 видно, что за 90 лет информационная ёмкость линий связи возросла на пять порядков, начиная с первых телефонных линий, скорость передачи информации которых составляла 1 бит/с. Примерно такой же рост отмечен и за последние 20 лет - достигнута скорость порядка 1 Тбит/с. Масштабы развития волоконно-оптической связи действительно поразительны. Мировое производство волоконных световодов в настоящее время составляет 60 млн. км/год, то есть каждую минуту в системах связи прокладываются более 100 км волоконных световодов. Все материки связаны между собой подводными волоконно-оптическими кабелями связи, общая длина которых достаточна, чтобы обмотать земной шар шесть раз. Разработка широкополосных оптических усилителей привела к созданию в конце 90-х годов экспериментальных волоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением 100 и более каналов, что позволило достичь суммарной скорости передачи информации более 1 Тбит/с. Это было отмечено на европейской конференции по данной теме в сентябре 1999 г. в Ницце.