Типы оптических волокон реферат
Обновлено: 07.07.2024
Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы.
Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК.
Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3. 1,55 мкм.
Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.
Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до |10 км) и большое число каналов. Волокна-градиентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.
Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков.
Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).
Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.
Элементы оптических кабелей
Бронированный волоконно-оптический кабель предназначенный для внешней прокладки.
Волоконно-оптический кабель предназначенный для непосредственной прокладки в грунте.
Волоконно-оптический кабель состоит из:
центрального силового элемента (ЦСИ),
оптических модулей (полимерные трубки с размещёнными в них оптическими волокнами),
внешней оболочки кабеля.
Для повышения механической прочности волоконно-оптических кабелей, оптические модули этого кабеля свиваются вокруг центрального силового элемента, являющегося сердцевиной кабеля. При этом центральный силовой элемент может служить как опорой для защиты от продольного изгиба, так и для защиты от нагрузок на растяжение. Благодаря скрутке световоды в оптических модулях имеют определённое пространство, в пределах которого нагрузки на растяжение, изгиб, сжатие, не выходящее за определённые рамки, не оказывают влияния на передаточные характеристики. Наряду с оптическими модулями вокруг силового элемента могут навиваться наполнители, т. е. модули без световодов или чисто полиэтиленовые элементы, а также медные жилы в виде витых пар или четвёрок. Совокупность этих скручиваемых элементов и силовых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если таковая имеется, называется сердечником кабеля.
В волоконно-оптической кабельной технике в основном применяется скрутка слоями (повивами). При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг центрального силового элемента. Если скручиваются отдельные элементы (оптические модули, медные жилы, наполнители), то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля свивается из модулей состоящих из скрученных элементов (жгутов), то такой кабель называется модульным кабелем или кабелем жгутовой скрутки. Существуют два типа скрутки: спиральная скрутка и SZ-скрутка (скрутка с чередованием направления скрутки).
Заполнение сердечника
Для обеспечения водонепроницаемости волоконно-оптического кабеля по его длине при попадании воды, свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаундом под высоким давлением. При этом компаунд должен иметь состав не оказывающий вредного влияния на характеристики элементов кабеля и иметь малый коэффициент линейного расширения.
Оболочка кабеля
Оболочка кабеля должна защищать сердечник волоконно-оптического кабеля снаружи от механических, тепловых, химических, световых воздействий, а также от влаги. Наиболее часто используют полиэтилен. Для кабелей предназначенных для внутренней прокладки, в качестве материала оболочки используют перфторэтилен-пропилен, перфторалкокси-сополимер, сополимер этилена и винилацетата. Если для кабелей с наполнителем сердечника требуется диэлектрическая оболочка, не содержащая металл, то между оболочкой кабеля и упрочняющими волокнами помещается предохранительный слой пластика из полиамидного расплавленного связующего вещества. Он предотвращает попадание компаунда из сердечника кабеля в его оболочку. Основные типы оболочек кабеля: полиэтиленовые, поливинилхлоридные, оболочки из фтористых пластмасс, оболочки из материалов не содержащие галогенов.
Защитная оболочка
Для кабелей наружной прокладки и специальных кабелей требуются полиэтиленовые или поливинилхлоридные защитные покрытия, а для особых случаев — покрытие из полиамида. Они защищают броню, нанесённую поверх оболочки кабеля, от коррозии и от внешних повреждений, например при непосредственной прокладке кабеля в грунт или протягивании по кабельной канализации.
Для защиты сердечника волоконно-оптического кабеля и его оболочки в особых случаях, как например, для прокладки под водой или в шахтах, для кабелей с защитой от грызунов, для самонесущих кабелей или для случаев, когда требуются очень высокие величины механических нагрузок на растяжение и/или сжатие, применяется дополнительная броня. Броня может быть выполнена из волокон арамида (кевлара), стальных лент, стальной проволоки, гофрированной стальной ленты и пр.
Типы конструкции кабелей
Конструкции волоконно-оптических кабелей классифицируются в соответствии с определёнными характеристиками на следующие типы:
кабели наружной прокладки,
кабели внутренней прокладки,
Типичные температурные диапазоны для волоконно-оптических кабелей:
Температура монтажа от -5°С до +50°С
Температура при эксплуатации от -20°С до +60°С
Стандартная длина поставляемых волоконно-оптических кабелей для наружной прокладки от 2000 метров до 6000 метров.
Маркировка оптических волокон
В 1982 г. стандартом IEC 304 Международного электротехнического комитета (МЭК) были определены двенадцать стандартных цветов изоляции низкочастотных кабелей и проводов (табл. 1), которые используются и для цветового кодирования оптических волокон (ОВ) в группах, содержащих до 12 ОВ. Нумерация же ОВ, сопоставляемая с цветом, предусмотренным названным стандартом МЭК, определяется национальными стандартами (табл. 2).
В случае, если в одном оптическом модуле одновременно находятся более 12-ти оптических волокон, то оболочки следующих по счёту оптических волокон, повторяют последовательность цветов предыдущих волокон с той разницей, что на них по всей длине ещё наносятся поперечные метки в виде например, чёрной полосы, через каждые 25 мм.
В некоторых случаях метки на оболочках последующих волокон, наносят через большие промежутки например, 40 мм., 60 мм, 80 мм. Некоторые производители оптических кабелей поступают иначе. Все волокна в каждом оптическом модуле разделяют на группы по 12 цветов в соответствии с принятым обозначением, оборачивая каждую группу оптических волокон нитью окрашенной в различные цвета (обычно красный, зелёный, синий и т. д.).
Часто необходимо выровнять торец/ось оптического волокна относительно другого оптического волокна, или к оптикоэлектронному устройству, типа испускающего свет диода, лазерного диода, или модулятора. Это может потребовать тщательной юстировки волокна и последующего закрепления его в устройстве. Иногда для этих целей конец волокна оплавляется или полируется в виде сферической формы, которая выполняет функцию линзы, чтобы позволить сфокусировать световой поток через воздушный промежуток (зазор).
Цель: дать понятия о типах и характеристиках оптических волокон.
Оптическое волокно и волоконная оптическая техника играют в современной связи определяющее значение, первое — как среда для оптической цифровой передачи, вторая — как набор средств, дающих возможность осуществления такой передачи. Технологии, используемые этими средствами, могут быть, в принципе, различны, но должны быть транспортными. К таким в настоящее время относят: ATM, IP, ISDN, PDH, SDH/SONET и WDM.
Содержание работы
Введение………………………………………………………………….…….….3
1 Типы оптических волокон ……………………………………………….…….4
1.1. Определение диаметра сердцевины…………………………………………..4
1.2. Три типа оптических волокон…………………………………………….….5
1.3 Микроизгибы и макроизгибы ……………………………………………. …7
1.4 Диаметр оптоволокна……………………………………………………..…….8
2 Характеристики оптического волокна ………………………………….…….9
2.1. Оптические характеристики…………………………………………..………9
2.2. Механические характеристики………………………………………. ……9
2.3 Типичные характеристики оптического волокна высокого качества .11
Файлы: 1 файл
Характеристика оптических волокон.docx
1 Типы оптических волокон ……………………………………………….…….4
1.1. Определение диаметра сердцевины…………………………………………..4
1.2. Три типа оптических волокон…………………………………………….….5
1.3 Микроизгибы и макроизгибы ……………………………………………. …7
2 Характеристики оптического волокна ………………………………….…….9
2.1. Оптические характеристики…………… ……………………………..………9
2.2. Механические характеристики……… ………………………………. ……9
2.3 Типичные характеристики оптического волокна высокого качества .11
Цель: дать понятия о типах и характеристиках оптических волокон
Объект: оптическое волокно
Предмет: характеристика оптического волокна
Оптическое волокно и волоконная оптическая техника играют в современной связи определяющее значение, первое — как среда для оптической цифровой передачи, вторая — как набор средств, дающих возможность осуществления такой передачи. Технологии, используемые этими средствами, могут быть, в принципе, различны, но должны быть транспортными. К таким в настоящее время относят: ATM, IP, ISDN, PDH, SDH/SONET и WDM.
Оптоволоконные линии связи предназначены для передачи больших объемов данных на высоких скоростях. В оптоволоконном кабеле цифровые данные передаются по оптическим волокнам в виде световых модулированных импульсов. Это позволяет прокладывать оптоволоконные линии связи без регенерации сигналов на дистанции, достигающие 120 км, что невозможно осуществить с помощью любых других известных на сегодняшний день технологий прокладывания линий связи.
Оптоволоконный кабель идеально подходит для создания сетевых магистралей, поскольку он нечувствителен к влажности и другим внешним условиям. Его недостатки в основном связаны со стоимостью прокладки и эксплуатации, намного превосходящей медную среду передачи данных. Помимо цены, такой кабель требует особых технических навыков в процессе прокладки. Оптико-волоконный кабель с точки зрения разводки мало отличается от укладки медного, тогда как присоединение коннекторов требует принципиально иного инструмента и технических навыков.
1 Типы оптических волокон
Существуют три основных типа оптического волокна (ОВ), отличающихся числом мод и своими физическими свойствами (cчитают, что этих типов два: одномодовое и многомодовое):
- многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления;
- многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления.
1.1. Определение диаметра сердцевины
На рис. 1.1 графически представлены сечения многомодового (слева) и одномодового (справа) волокон. Важным в этих рисунках являются сравнительные размеры сердечников многомодового и одномодового волокон.
Рис. 1.1. Поперечное сечение многомодового (слева) и одномодового (справа) волокон
Обратите внимание на то, что внешний диаметр обоих типов волокон одинаков и составляет номинально 125 мкм. Однако существует огромная разница в диаметрах сердцевины: 50 мкм для многомодового волокна и 8,6-9,5 мкм для одномодового волокна. На практике существуют и другие зна-чения диаметров многомодового волокна, наиболее используемым из них является 62,5 мкм.
1.2. Три типа оптических волокон
На рис. 1.2 показана конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (рис. 1.2(а)) и градиентный (рис. 1.2(б)) для многомодового волокна. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется резким (в виде ступеньки) изменением показателя преломления (от п1 к п2) на границе раздела, тогда как градиентный - плавным изменением.
Рис. 1.2. Конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (а) и градиентный (б) для многомодового волокна.
Многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления является более экономичным по сравнению с градиентным волокном. Для многомодового волокна со ступенчатым профилем показателя преломления коэффициент широкополосности, характеристика, рассмотренная выше, имеет порядок 10-100 МГц⋅км, при условии, что повторители расположены на расстоянии 10 км, можно передать полосу частот шириной от 1-10 Мгц.
Градиентный профиль показателя преломления делает многомодовое волокно существенно дороже, чем при ступенчатом профиле, однако дает возможность улучшить коэффициент широкополосности. Так, если в качестве источника света используется лазерный диод, то можно довести коэффициент широкополосности до 400-1000 МГц⋅км. Если же в качестве источника используется СИД, имеющий существенно более широкий спектр излучения (см. материал гл. 4), то с тем же градиентным волокном можно рассчитывать на коэффициент широкополосности порядка 300 МГц⋅км или выше. Принципиальным ограничивающим фактором в этом случае является материальная дисперсия.
На рис. 1.3 показаны профили показателя преломления и характер распространения мод для указанных трех типов ОВ на основе кварцевого стекла.
Одномодовое волокно проектируется так, что в нем может распространяться только одна мода. Благодаря этому V определенную полосу длин волн. В результате того, что время распространения спектральных компонент различно, происходит уширение импульсов. Степень такого уширения пропорциональна спектральной ширине используемого источника. Близкие к монохроматическим (использующие одну продольную моду) лазерные источники (SLM-лазеры), как правило это лазеры с распределенной обратной связью, допускают нормальную работу с одномодовым волокном на длинах волн, которые отстоят от длины волны нулевой дисперсии дальше, чем это позволяют делать лазеры, использующие несколько продольных мод (MLM-лазеры).
Стандарты EIA/TIA — классифицируют одномодовые волокна в соответствии с их дисперсионными характеристиками. Существуют одномодовые волокна без сдвига нуля, которые имеют длину волны нулевой дисперсии в районе 1310 нм (эти волокна обычно называют стандартными одномодовы-ми волокнами). Эти волокна по классификации EIA/TIA соответствуют классу IVa. Существуют также два типа волокна со сдвигом дисперсии. Один — со сдвигом нуля дисперсии в область 1550 нм (эти волокна обычно называют одномодовыми волокнами со сдвигом дисперсии), который классифицируется EIA/TIA как волокно класса IVb. Другой - с ненулевой смещенной дисперсией, имеет ненулевую (но небольшую по величине) дисперсию в определенной области в окне прозрачности 1550 нм.
Это волокно классифицируется как волокно класса IVd.
В диапазоне 1550 нм затухание волокна может быть значительно ниже, чем в районе 1310 нм для любого типа волокон. Однако дисперсия волокон, спроектированных со сдвигом дисперсии, на длине волны 1310 нм может быть существенно выше, чем дисперсия на той же длине волны, но у волокон без сдвига дисперсии.
2.2. Механические характеристики
Одним из основных свойств оптического волокна является его прочность. Однако, в процессе изготовления на поверхности волокна появляются микроскопические изъяны, которые заметно ухудшают базовую прочность. Благодаря процессу производства кабеля и укладке волокна в кабель, происходит дальнейшее ухудшение прочности волокна. Ухудшение прочности и обрыв волокна в результате роста изъянов (трещин) на поверхности можно объяснить тремя причинами: динамической усталостью, статической усталостью и старением в отсутствие нагрузки. Многие монтажники ВОК работали раньше на монтаже медных кабелей, которые имеют совершенно отличные механические характеристики. Динамическая усталость возникает при кратковременном приложении значительных растягивающих усилий. Это соответствует типичному сценарию, когда ВОК затягивается на место через кабелепровод или протягивается вдоль направляющих труб/лотков. Статическая усталость, наоборот, приобретается тогда, когда кабель длительное время находится под постоянной нагрузкой. Старение в отсутствие нагрузки относится к такому типу ухудшения прочности, который происходит в условиях отсутствия нагрузки на кабель, но под действием высокой окружающей температуры и влажности.
Волокно с выровненным или с профильным показателем преломления оболочки
В наиболее простой конструкции одномодового волокна его оболочка имеет выровненный (одинаковый) показатель преломления вдоль всего сечения оболочки. Такая конструкция волокна формирует плоский пьедестал пр офиля показателя преломления (ППП) вплоть до границы с сердцевиной. Это способствует единообразию характеристик волокон, что особенно важно, когда различные волокна должны быть объединены в одну существующую сеть. Волокно с плоским пьедесталом ППП обеспечивает, в принципе, несколько меньшее затухание и большее значение диаметра поля моды (области, занятой световым потоком одномодового волокна, диаметр которой больше физического диаметра сердцевины), чем в случае использования конструкции волокна с профильным ППП.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.
Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.
Структура оптического волокна
Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже – видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция оптического волокна
Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.
Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне
На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.
Основные характеристики оптического волокна
Способность оптического волокна передавать информационный сигнал описывается при помощи ряда геометрических и оптических параметров и характеристик, из которых наиболее важными являются затухание и дисперсия .
1. Геометрические параметры.
Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:
- некруглость (эллиптичность) сердцевины и оболочки, определяемая как разность максимального и минимального диаметров сердцевины (оболочки), деленная на номинальный радиус, выражается в процентах;
- неконцентричность сердцевины и оболочки – расстояние между центрами сердцевины и оболочки (рис. 3).
Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки
Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.
2. Числовая апертура.
Числовая апертура (NA) – это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.
Рис 4. Числовая апертура
3. Профиль показателя преломления.
Профиль показателя преломления – это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым. Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.
Рис. 5. Профили показателя преломления
4. Затухание (потери).
Затухание – это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.
а) Поглощение. В результате взаимодействия оптического излучения с частицами (атомами, ионами…) материала сердцевины часть оптической мощности выделяется в виде тепла. Различают собственное поглощение, связанное со свойствами самого материала, и примесное поглощение, возникающее из-за взаимодействия световой волны с различными включениями, содержащимися в материале сердцевины (гидроксильные группы OH - , ионы металлов…).
б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана), которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.
Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.
Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания
Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).
Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.
5.Дисперсионные свойства.
Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI – InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.
Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2>L1.
Уширение импульса, или дисперсия, обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).
Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км).
Ширина полосы пропускания (bandwidth), МГц*км.
Коэффициент PMD, пс/√км.
Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.
Разновидности и классификация оптических волокон
Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.
Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.
- Материал. Основным материалом для изготовления сердцевины и оболочки оптического волокна является кварцевое стекло различного состава. Однако используется большое количество других прозрачных материалов, в частности, полимерные соединения.
- Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые (рис. 8).
Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно
На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:
- Кварцевое многомодовое волокно.
- Кварцевое одномодовое волокно.
- Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
- Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).
Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.
Производство оптических волокон
Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.
Волоконно-оптические кабели
Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).
Оптические волокно стандарт де-факто при построении магистральных сетей связи. Протяженность волоконно-оптических линий связи в России у крупных операторов связи достигает > 50 тыс.км.
Благодаря волокну мы имеем все те преимущества в связи, которых не было раньше.
Вот и попробуем рассмотреть виновника торжества — оптическое волокно.
В статье попробую написать просто о оптических волокнах, без математических выкладок и с простыми человеческими объяснениями.
Классификация
Чаще всего волокна подразделяют на 2 общих типа волокон
1. Многомодовые волокна
2. Одномодовые
Подумаем как свет вводится в волокно:
1) Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.
Например мы передаем свет на длине волны 1300нм (к примеру), сердцевина многомода широкая, то и путей распространения у волн больше. Каждый такой путь и есть моды
2) Если же сердцевина маленькая (одномодовое волокно), то путей распространения волн соотвественно уменьшается. И так как дополнительных мод гораздо меньше, то и не будет и модовой дисперсии (о ней ниже).
Это основное отличие многомодового и одномодового волокон.
Спасибо enjoint, tegger, hazanko за замечания.
Многомодовые в свою очередь делятся на волокна со ступенчатым показателем преломления (step index multi mode fiber) и с градиентным (graded index m/mode fiber).
Одномодовые делятся на ступенчатые, стандартные (standard fiber), со смещенной дисперсией (dispersion-shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion-shifted)
Конструкция оптического волокна
Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.
Сердцевина (которая и является основной средой передачи энергии светового сигнала) изготавливается из оптически более плотного материала, оболочка — из менее.
Так, например, запись 50/125 говорит о том, что диаметр сердцевины равен 50 мкм, оболочки — 125мкм.
Поэтому для недорогих оптических решений, таких как локальные сети интернет-провайдеров применения многомода случается.
Профиль показателя преломления
Здесь отображены 3 профиля преломления:
ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.
Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени.
Другое дело с градиентным профилем, те моды которые раньше шли по центру — замедляются, а моды, которые шли по ломанному пути, наоборот, ускоряются. Это произошло оттого, что коэффициент преломления сердечника теперь непостоянен. Он увеличивается параболически от краев к центру.
Это позволяет увеличить скорость передачи и получить распознаваемый сигнал на приеме.
Области применения оптических волокон
| Многомодовое волокно | Одномодовое волокно | |
| MMF 50(62.5)/125 Градиентное | SF 9/125 ступенчатое | SF 9/125 со смещенной дисперсией (с ненулевой смещенной дисп.) |
| ЛВС(GigaEther,FDDI,ATM) | Протяженные ЛВС, магистрали SDH | Сверхпротяженные магистрали SDH |
К этому можно добавить, что магистральные кабели теперь все почти идут с ненулевой смещенной дисперсий, что позволяет использовать на этих кабелях спектральное волновое уплотнение (WDM) без нужды замены кабеля.
А при построении пассивных оптических сетей часто используют многомодовое волокно.
Спасибо тем, кто конструктивно критиковал.
PS
если будет интересно, то могут появиться статьи о
— дисперсии
— типах волоконно-оптических кабелей (не волокон)
— системах передачи, используемых для wdm/dwdm уплотнения.
— процедура сварки оптических волокон. и типы сколов.
Читайте также: