Движение света по оптоволоконному кабелю

Принцип передачи света по оптоволокну

1.1 Оптическая связь

Принцип системы оптической связи заключается в передаче сигнала через оптоволокно к удаленному приёмнику. Электрический сигнал преобразуется в оптический и в таком виде передаётся на расстояние. В приёмном устройстве он обратно переходит в исходную электрическую форму. У волоконно-оптической связи есть множество преимуществ перед другими типами передачи информации, такими как медные жилы и системы радиосвязи.

• Сигнал может быть передан без регенерации на большое расстояние (200 км).

• Оптоволоконная передача не чувствительна к электромагнитным помехам. Кроме того, волокно не проводит электричество и фактически нечувствительно к радиочастотной интерференции.

• Оптические системы обеспечивают большее количество каналов чем физические цепи.

• Оптический кабель намного легче и тоньше чем кабель с металлическими жилами и волокна занимают в нём небольшой объём. Например, один оптоволоконный кабель может содержать 144 волокна.

• Оптическое волокно очень надёжно.

• У оптического волокна срок эксплуатации больше 25-и лет (по сравнению с 10 годами систем спутниковой связи).

• Рабочие температуры для оптического волокна изменяются, но они обычно они лежат в диапазоне от -40° до +80°C

Группа факторов ухудшают пропускание света в оптической системе связи:

1. Затухание: Поскольку световой сигнал перемещается через волокно, он теряет мощность из-за поглощения, рассеивания, и других потерь. С некоторым расстоянием мощность сигнала может уменьшиться до уровня собственных шумов приёмника.

2. Пропускная способность: Оптоволокно имеет ограниченный частотную полосу пропускания и если световой сигнал использует несколько частот, то это явление уменьшает информационную пропускную способность.

3. Дисперсия: Импульсы света распространяющиеся в волокне расширяются и тем ограничивают информационную пропускную способность на высоких скоростях передачи или укорачивается её расстояние.

1.2 Строение оптоволокна

Оптический волновод это тонкая стеклянная нить, окруженная пластиковым защитным покрытием. Нить оптоволокна состоит из двух частей: внутренняя сердцевина и наружная оболочка. Свет, введенный в стеклянную сердцевину проходит в ней многократно отражаясь от её границы с оболочкой.

Строение оптического волокна

1.3 Принципы передачи

Луч света вводится в волокно под малым углом α. Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой (NA)

Где α₀ — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), n₁ показатель преломления сердцевины и n₂; показатель преломления оболочки.
Ввод света в оптоволокно

Полный приемный конус оптического волокна определяется как 2α₀

1.3.1 Распространение света в оптоволокне

Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Часть света вводится через полный приемный конус оптоволокна.

1.3.1.1 Преломление

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если α > α₀, то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.

Преломление света

1.3.1.2 Отражение

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.

1.3.2 Скорость

Скорость с которой свет перемещается через среду передачи определяется показателем преломления этой среды. Показатель преломления среды (n) является коэффициентом отношения скорости света в вакууме к скорости света в этой среде.

Где n является показателем преломления среды передачи, с скорость света в вакууме (2.99792458 · 10 8 м\с), и v скорость света в среде передачи.

Типичные значения n для стекла используемого в качестве оптоволокна лежит между 1.45 и 1.55. Как правило, чем выше показатель преломления, тем меньше скорость в среде передачи.

Сравнение скорости прохождения света через различные среды

Значения типичного показателя преломления разных производителей и различных типов оптоволокна:

• Corning® LEAF®
n = 1.468 в 1550 нм
n = 1.469 в 1625 нм

• OFS TrueWave® REACH
n = 1.471 в 1310 нм
n = 1.470 в 1550 нм

1.3.3 Пропускная способность

Пропускная способность зависит от ширины частотного диапазона, на котором способно работать оптическое волокно. Пропускную способность волокна определяет максимальная информационная емкость канала, который может быть передан вдоль волокна по данному расстоянию. Пропускная способность вырается в МГц o км. В многомодовом оптоволокне пропускная способность, главным образом, ограниченна модовой дисперсией; тогда как такое ограничение отсутствует для одномодовых волокон.

Пропускная способность оптической линии в зависимости от типа волокна

Неофициальный перевод книги Reference Guide to Fiber Optic Testing. Second edition. 2011 J. Laferriere, G. Lietaert, R. Taws, S. Wolszczak. Англоязычный вариант книги доступен в сети Интернет и состоит из трёх частей: две части — основной материал и третья часть — глоссарий. На данный момент книга переведена не вся и материал будет дополняться в процессе. Заранее извиняюсь за ошибки перевода. Со страниц сайта доступны главы:

Источник

Физика — оптика, передача сигнала по оптоволокну

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Содержание

Строение оптоволокна [ править ]

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Принципы передачи [ править ]

Луч света вводится в волокно под малым углом [math]\alpha[/math] . Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой [math]NA[/math] :

[math] NA =\sin \alpha_0=\sqrt [/math] , где [math]\alpha_0[/math] — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), [math]n_1[/math] — показатель преломления сердцевины и [math]n_2[/math] — показатель преломления оболочки.

Распространение света в оптоволокне [ править ]

Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Часть света вводится через полный приемный конус оптоволокна.

Полный приемный конус оптического волокна определяется как [math]2\alpha_0[/math]

Преломление [ править ]

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если [math]\alpha \gt \alpha_0[/math] , то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.

[math] n_1\sin \alpha_r = n_2\sin\alpha_i[/math]

Отражение [ править ]

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.Если [math]\alpha \lt \alpha_0[/math] , то луч отражается и остается в сердцевине.

[math] \alpha_r = \alpha_i[/math]

Принцип распространения [ править ]

Лучи видимой области спектра входит в оптоволокно под разными углами и идут разными путями. Луч, вошедший в центр сердцевины под малым углом пойдёт прямо и по центру волокна. Луч вошедший под большим углом или около края сердечника пойдёт по ломаной и будет проходить по оптоволокну более медленно. Каждый путь, следуя из данного угла и точки паления даст начало моде. Поскольку моды перемещаются вдоль волокна, каждая из них до некоторой степени ослабляется.

Типы оптоволокна [ править ]

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:
слева вверху — одномодовое волокно;
слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно;
справа — градиентное волокно с параболическим профилем]]

Одномодовые волокна [ править ]

• Высокая пропускная способность

• Немного мод одновременно ⇒ уменьшено влияние модальной дисперсии

• Расстояния до 80 км

• Дорогое оборудование

• Поляризационная дисперсия

Многомодовые волокна [ править ]

• Много сигналов по одному световоду

• Более дешевое оборудование

• Не более 1000 метров

• Много мод одновременно – модальная дисперсия

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Факторы, ухудшающие пропускание света [ править ]

Затухание светового излучения [ править ]

Затухание определяет величину ослабления оптической мощности лазерного луча в децибелах на км (дБ/км) при прохождении по оптоволокну. Несмотря на высокий уровень технологий, используемых при изготовлении оптоволокна, оптическое волокно не лишено дефектов, приводящих к ослаблению передаваемого сигнала. Основными причинами, вызывающими затухание сигнала в оптоволокне, являются: поглощение и рассеивание, связанные с неоднородностью оптического материала из-за различного рода примесей, а также потери на микроизгибах оптического волокна. Зависимость значения затухания от величины волны (окна прозрачности) показана на ниже.

Дисперсия [ править ]

Другой фактор, который искажает сигнал во время передачи — дисперсия, которая уменьшает эффективную пропускную способность передачи. Основные типы дисперсии: модовая дисперсия, хроматическая дисперсия, и поляризационная дисперсия.

Хроматическая дисперсия [ править ]

Волны с разной длиной волны перемещаются с разной скоростью.

Разный показатель преломления для разных длин волн.

Поляризационная дисперсия [ править ]

Волны с разной поляризацией перемещаются с разной скоростью.

Многие кристаллы пропускают свет с разной поляризацией по-разному: разная степень затухания и разная скорость.

Модальная дисперсия [ править ]

Разные моды волны перемещаются с разной скоростью.

Нелинейные эффекты [ править ]

Мощный уровень и маленькая эффективная область волокна, вызывают нелинейные эффекты. С увеличением уровня мощности и числа оптических каналов, нелинейные эффекты могут стать проблемным фактором в системах передачи. Аналоговые эффекты могут быть разделены на две категории

Феномен показателя преломления [ править ]

Явления показателя преломления вызывают фазовую модуляцию.

Фазовая автомодуляция [ править ]

Фазовой автомодуляцией (Self-Phase Modulation — SPM) называется эффект, возникающий при воздействии сигнала на собственную фазу. С высокими силами излучения свет вызывает изменение показателя преломления оптоволокна, известного как эффект Керра. Это явление производит канал из фазы, изменяющейся во времени. Изменяющийся во времени показатель преломления модулирует фаза передаваемой длины волны, расширяя длину волны спектра переданного оптического импульса.

Где L является расстоянием передачи, S — площадь сердечника оптоволокна и P — мощность оптического излучения.

Смещение длины волны из-за SPM уменьшается при положительной хроматической дисперсии. За счёт неё при проектировании сети SPM может быть частично компенсировано.

Перекрестная фазовая модуляция [ править ]

Перекрестная фазовая модуляция (Cross-Phase Modulation — CPM) называется эффект при котором сигнал в одном канале изменяет фазу в другом канале. Подобно SPM, CPM происходит из-за эффекта Керра. Однако, эффекты перекрестной фазовой модуляции возникают только при передаче множества каналов в одном волокне. В CPM, та же самая частота смещена в края сигнала в модулируемом канале как в SPM, спектрально расширяя изначальный импульс.

Четырёхволновое смешение [ править ]

FWM (Four-Wave Mixing) является интерференционным явлением, которое производит паразитные сигналы от трех частот [math](\lambda = \lambda_1 + \lambda_2 — \lambda_3)[/math] , то есть происходят, когда три различных канала индуцируют четвертый канал.

Существует много вариантов, при которых каналы могут объединиться, чтобы сформировать новый канал по вышеупомянутой формуле. Кроме того, созданные каналы тоже могут вызывать третий уровень паразитных частот.

Из-за мощных уровней, эффекты FWM производят много фантомных каналов (некоторые из которых перекрывают каналы сигнальные), зависимых от числа сигнальных каналов. Например, система с 4 каналами произведет 24 фантомных канала и с 16 каналами будет произведено 1920 каналов фантомных. FWM один из самых неблагоприятных нелинейных эффектов в системах DWDM.

В системах, использующих оптоволокно со смещённой дисперсией, FWM становится огромной проблемой, работая на длине волны приблизительно 1550 нм или на длине волны с нулевой дисперсией. Различные длины волн, долго перемещаются группой с одинаковой скоростью и в постоянной фазе по длинному промежутку времени и увеличивают эффекты FWM. В стандартном волокне (волокно не со смещённой дисперсией), определенное количество хроматической дисперсии происходит приблизительно на длине волны 1550 нм, приводя к различным длинам волны, с отличающимися групповыми скоростями, уменьшая эффекты FWM. Используя неправильный интервал между каналами также можно достигнуть сокращения эффектов FWM.

Явление рассеивания [ править ]

Явление рассеивания может быть характеризовано как процесс, когда сигнал лазера рассеивается молекулярным колебанием волокна (оптические фотоны) или виртуальным трением.

Вынужденное рассеивание Рамана [ править ]

Вынужденное Рамановское рассеиванием (Stimulated Raman Scattering — SRS) называется эффект, который преобразует энергию сигнала с короткой длиной волны в энергию сигнала с более длинной волной. Взаимодействие волны света с вибрирующими молекулами (оптические фотоны) в пределах кварцевого волокна вызывает SRS, рассеивая свет во всех направлениях. Длина волны разделяется между двумя сигналами интервалом приблизительно 100 нм (13.2 TГц), например, 1550 — 1650 нм отображают максимум эффекта SRS.

Вынужденное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама [ править ]

Вынужденным рассеянием Бриллюэна — Мандельштама (Stimulated Brillouin Scattering — SBS) является явление обратного рассеяния, вызывающим потерю мощности. Мощные световые волны вызывают периодические изменения в показателе преломления волокна, которое могут быть описаны как виртуальное трение, перемещающееся как акустическая волна. Сигнал при этом явлении рассеивается обратно. Эффекты SBS происходят при передаче некоторого небольшого количества каналов.

Некоторая полезная информация [ править ]

С момента появления первого персонального компьютера фирмы IBM (1981 г.) скорость передачи данных выросла с 45 Мбит/с (линия T3 по телефонным проводам) до 100 Гбит/с (современная длинная линия), это означает не менее впечатляющий рост в 2000 раз или 16 раз за 10 лет. При этом вероятность ошибки при передаче уменьшилась с 105 на бит почти до нуля. Помимо этого, процессоры начинают приближаться к своим физическим пределам, поэтому теперь на одном кристалле их используется сразу несколько. Существующая ныне оптоволоконная технология, напротив, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и до достижения ее физического предела нам еще далеко. Сегодняшний практический предел в 100 Гбит/с обусловлен нашей неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Для того чтобы достичь более высокой скорости, по одному волокну просто одновременно передаются данные нескольких каналов.

Для двухслойного световода с ядром в 50 μm модальная дисперсия ограничивает частоту до 20 МГц при длине в 1 км. Кроме того, с помощью многослойного световода и специальных материалов можно достигнуть ограничения в 3.5 ГГц для 1 км.

Типичные характеристики (скорости/расстояния) передачи для многомодового оптоволокна — 100 Мбит/с для расстояний до 2 км (100BASE-FX), 1 Гбит/с для расстояний до 220/550 м. (1000BASE-SX), и 10 Гбит/s для расстояний до 300 м. (10GBASE-SR).

Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 100 Гбит/с на расстоянии до 100 км. В лабораториях были достигнуты и более высокие скорости, правда, на меньших дистанциях.Самый последний результат – 27 Тбит/с на расстояние около 80 км.

Источник