Чем в основном обусловлено затухание сигналов в волоконных световодах
Затухание сигнала в волокне. Виды потерь в волокне
Свет по мере распространения в оптическом волокне постепенно ослабевает. Это явление называется затуханием ОВ.
Затухание светового сигнала определяется по формуле:
α = 
, дБ/км. (2.7)
где l – длина световода;
Pвх — мощность светового сигнала на входе ОВ;
Pвых — мощность светового сигнала на выходе ОВ.
Чем выше затухание, тем меньше дальность передачи сигнала по ОВ.
Ослаблениесигнала в ОВ
обусловлено
собственными потерями 
и дополнительными потерями (кабельными) 
.
Кабельные потери обусловлены непостоянством размеров поперечных сечений сердцевины ОВ по длине и неровностями границы раздела сердцевина-оболочка, они связаны также с наличием микро и макроизгибов ОВ.
Рисунок 2.5 – Классификация потерь в оптическом волокне
Макроизгибы обусловлены скруткой ОВ вдоль всего оптического кабеля. На изгибе нарушается условие полного внутреннего отражения. Такой луч преломляется и рассеивается в окружающем пространстве (оболочке).
Собственные потериас состоят из трёх составляющих:
(2.7)
ап — ослабление за счёт поглощения;
апр — ослабление за счёт наличия в материале ОВ постоянных примесей;
ар— ослабление за счёт потерь на рассеяние.
Рисунок 2.6 – Спектр света
Для того, чтобы понять природу потерь на поглощение, надо вспомнить чем представлен спектр света (рисунок 2.6). Спектр света представлен инфракрасными лучами, видимым светом и ультрафиолетовыми лучами. Инфракрасная часть спектра оптического сигнала делится на 3 поддиапазона: ближний, средний и дальний. К среднему относится тепловое излучение, которое создаётся любым нагретым объектом (солнцем, отопительными приборами, теплокровными существами.) В электронике и связи чаще всего используют ближнюю часть инфракрасного диапазона (см. рисунок 2.6)
Как известно, стекло очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. Потери света в видимом диапазоне меньше, чем в ультрафиолетовом, но ещё достаточно велики, что не позволяет использовать их для передачи по оптическому кабелю. Так называемое ультрафиолетовое поглощение простирается вплоть до длины волны 1,3 мкм, где оно имеет минимальное значение.
Таким образом, минимальное затухание в ОВ имеет оптический сигнал в диапазоне 0,8 – 1,7 мкм(в ближнем поддиапазоне инфракрасного диапазона).
Поскольку свет является электромагнитной волной, то механизм поглощения связан с поведением диэлектрика в электрическом поле (диэлектрической поляризацией).
Это означает, что под действием света происходит поворот связанных зарядов молекул стекла относительно центров связи, на что затрачивается энергия световой волны, этим обусловлены потери на поглощение.
Потеря энергии также существенно возрастает из-за наличия в материале ОВ постоянных примесейапр, таких, как ионы металлов Fe, Ni, Cr, V, Cu и других включений.
На ранних этапах развития оптических волокон большую часть примесей составляли ионы металлов. Но в настоящее время эти примеси существенно малы в современных высококачественных волокнах, и единственной оставшейся значительной примесью является гидроксильная группа ОН.
Рассеяние света в волоконном световоде в основном обусловлено наличием в материале сердечника мельчайших (около одной десятой доли длины волны) случайных неоднородностей. Эти неоднородности рассеивают свет во всех направлениях (рисунок 2.7). Часть рассеянного света выходит из сердцевины волокна, а часть может отразиться назад к источнику. Согласно закону Рэлея с увеличением длины волны потери на рассеяние уменьшаются: 
Такое рассеяние присутствует в любом волоконном световоде и получило название Релеевского рассеяния. Оно обратно четвертой степени длины волны.
Легирующие добавки, которые необходимы для изменения показателя преломления сердечника световода, увеличивают степень неоднородности стекла.
Рисунок 2.7 – Природа Релеевского рассеяния
Наибольший интерес представляет зависимость затухания ОВ от длины волны (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 – Зависимость затухания оптического волокна от длины волны света
На длинах волн 0,95 и 1,39 мкмвозникают всплески затухания, которые обусловлены резонансными явлениями в гидроксильных группах ОН («водные пики»).
Между пиками затухания находятся три области с минимальными оптическими потерями, которые получили название окон прозрачности. С увеличением номера окна затухание уменьшается.
Так первое окно прозрачности наблюдается на длине волны 0,85 мкм. Второе окно прозрачности соответствует длине волны 1,3 мкм. Третье окно прозрачности наблюдается на длине волны 1,55 мкм, на которой затухание сигнала в ОВ минимально и составляет 0,22 дБ/км. Таким образом, целесообразно, чтобы оптические системы передачи по волоконным световодам работали именно на указанных длинах волн, которые получили название рабочих. В настоящее время наибольший интерес вызывают два последних окна прозрачности, которые обеспечивают наименьшее затухание и максимальную пропускную способность волоконных световодов. Внедрение технологий «плотного» частотного уплотнения (DWDM) вкупе с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке нового типа оптических волокон. При использовании технологии DWDM в оптическом волокне одновременно вводится большое количество (до 300) оптических сигналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других информационный поток.
Кроме выше перечисленных потерь необходимо учитывать потери, возникающие при вводе излучения в ОВ, к ним относятся:
аап— апертурные потери, обусловленные несовпадением апертур излучателя и ОВ;
В качестве излучателей в ВОСП используют светоизлучающие диоды СИД полупроводниковые лазеры ППЛ. СИД излучают свет в телесном угле 30-60°, а ППЛ – в телесном угле от 3 до 30°. Если апертура излучателя больше апертуры ОВ, то часть оптического сигнала теряется ещё при вводе в ОВ. Это и есть аппертурные потери. Для уменьшения апертурных потерь для ввода излучения в ОВ используют фокусирующие линзы.
Для уменьшения френелевских потерь торцы ОВ покрывают специальными антиотражающими плёнками толщиной кратной λ/4.
Дата добавления: 2016-03-22 ; просмотров: 1728 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в световоде оптического волокна
Распространяясь по оптическому волокну сигнал сталкивается с различными неоднородностями, приводящими к его затуханию а также отражению части сигнала в обратном направлении. Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала можно разделить на:
Френелевское отражение оптических волокон
Для понимания сути френелевского отражения и макро изгиба, рассмотрим понятие эффекта полного внутреннего отражения сигнала в оптическом волокне.
Рисунок 1 – угол падения света к нормали на границу раздела сердцевины и оболочки оптического волокна меньше граничного
Как мы знаем, сердцевина и оболочка оптического волокна имеют различные показатели преломления. Это достигается путем внесения в сердцевину дополнительных примесей на этапе производства оптического волокна. Благодаря такой конструкции оптического волокна, излучение, падающее из сердцевины с большим показателем преломления (большей плотности) на границу раздела с оболочкой (средой с меньшим коэффициентом преломления) отражается обратно в сердцевину, теряя при этом минимум энергии. Вместе с тем, если угол падения света к нормали такой как показано на рисунке 1 или менее, то уходит за пределы сердцевины значительно больше света, чем отражается от границы. В результате – оптический сигнал быстро затухает и такой эффект не позволяет передавать информацию на большие расстояния.
Рисунок 2 – угол падения света к нормали на границу раздела сердцевины и оболочки оптического волокна равен граничному
В случае увеличения угла падения света к нормали (рисунок 2), свет преломляется и начинает распространяться по границе раздела сердцевины и оболочки оптического волокна. В этом случае также оптический сигнал претерпевает повышенное затухание, вследствие чего передача информации затрудняется
Рисунок 3 – угол падения света к нормали на границу раздела сердцевины и оболочки оптического волокна больше граничного
Эффект полного внутреннего отражения наблюдается при падении света с более плотной среды на границу раздела с менее плотной при угле падения к нормали больше граничного. Это и показано на рисунке 3.
Для более наглядного сравнения, обратите внимание на рисунок 4, который демонстрирует модель оптического волокна и распространяющихся по нему сигналов с различными углами падения на границу раздела сред.
Рисунок 4 – модель оптического волокна
Практические случаи, в которых не соблюдается эффект полного внутреннего отражения подробно описаны в статьях:
Потери и отражения сигнала в оптическом волокне обусловлены также релеевским рассеянием и внутренним поглощением в сердцевине ОВ. Рассмотрим детально эти процессы.
Релеевское рассеяние в оптическом волокне
Рисунок 5 – релеевское рассеяние
Как видно на рисунке 5, оптическое излучение, распространяясь по волокну сталкивается с неоднородностями, вследствие чего рассеивается во все стороны.
Неоднородности в сердцевине ОВ вызваны внесением в ее состав примесей на этапе производства. Более подробно этот процесс описан в статье “Производство оптических волокон. Основные этапы технологического процесса”
Часть рассеянного сигнала начинает двигаться в обратную сторону, попадая снова в передатчик. Этот эффект позволяет определить местоположение неотражающих событий (сварных соединений и макро изгибов) рефлектометрическим методом.
Принцип работы оптического рефлектометра описан в отдельной статье.
Большая часть рассеянного сигнала уже не попадает в приемник, повышая тем самым уровень потерь, см. рисунок 6
Рисунок 6 – поглощение мощности оптического сигнала в волокне
По большому счету, эффекты релеевского рассеяния и внутреннего поглощения неразрывно связаны друг с другом, однако это не одно и то же, потому как поглощение мощности сигнала происходит не только в местах рассеяния.
На рисунке 6 показаны примерные значения погонного затухания оптического сигнала в волокне на разных длинах волн. Реальные значения могут немного отличаться от указанных на рисунке. Вместе с тем, для более простого запоминания рекомендуется использовать эти значения.
Например погонное затухание А на длине волны 1310нм может быть: 0,32; 0,33; 0,34; 0,35. Погонное значение потерь на длине волны 1550нм обычно равняется: 0,19; 0,20; 0,21; 0,22. Единица измерения погонного затухания, как Вы наверное уже заметили – дБ/км, т.е. это затухание на одном километре оптического волокна.
Вебинар на тему: “Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в оптическом волокне”
Чтобы задать вопрос докладчику вебинара отправьте письмо на адрес: info@fibertop.ru
Стенограмма вебинара «Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в оптическом волокне»
Угол падения света на границу раздела двух сред (сердцевины и оболочки волокна в данном случае) называется граничным углом в случае, если после прохождения его свет начал распространяться по границе раздела двух сред. Эффект полного внутреннего отражения наблюдается при падении из более плотной среды на границу раздела с менее плотной при угле падения больше граничного.
Перейдём и рассмотрим каждый эффект по отдельности. Угол к нормали острый, в результате чего, по закону Френеля, конечно же, угол падения равен углу отражения. Соответственно, отражение сигнала есть, но в данном случае отражённый сигнал очень маленькой мощности. Поэтому буквально несколько метров он пройдёт далее в зависимости от этого угла и затухнет полностью. Основная же часть мощности уходит за пределы сердцевины оптического волокна и вообще выходит за пределы оптического волокна.
превращается в этот угол, что продемонстрировано на картинке.
Когда мы изогнули оптическое волокно, угол падения света стал острым, в результате чего свет вышел за пределы оптического волокна. Если мы светим красным светом, то мы наблюдаем в патч-корде такую картину (свет на оболочке патчкорда и на изгибе волокна в сплайс кассете).
Это событие называется макроизгиб. На макроизгибе всегда наблюдаются очень большие потери, больше чем на сварке, коннекторе зачастую. Его очень трудно локализовать, потому что макроизгиб выглядит на рефлектограмме. Тему рефлектометров мы будем обсуждать в одном из следующих вебинаров.
В данном случае чтобы определить макроизгиб, необходимо использовать рефлектометр с двумя длинами волн. Потому что чем больше длина волны, например, 850 нм меньше чем 1310 нм, 1310 нм меньше чем 1550 нм. Чем больше длина волны, тем больше мощности сигнала будет выходить на макроизгибе. Если на одном и том же макроизгибе светить двумя разными длинами волн, то на 1310 нм потеряется меньше сигнала на макроизгибе, а на 1550 нм потеряется больше сигнала на макроизгибе.
Посмотрите на слайде. На длине волны 1310 нм (черная линия) мы видим неотражающее событие с маленькими потерями. А на длине волны 1550 нм (красная линия) потери очень большие. То в данном это не сварка, а макроизгиб (или сварка + макроизгиб), который появилс в результате неправильной укладки волокна в сплайс кассете.
В результате в данном случае вы видите явное изображение макроизгиба на рефлектограмме.
Существует также понятие микроизгиба. Микроизгиб – это изменение траектории распространения оптического сигнала больше чем на ноль градусов, но не приводящий ни к каким критическим последствиям. Микроизгибы есть в каждом волокне, но мы их не видим и никак не можем увидеть. Поэтому вроде как есть, но обращать внимания на это не стоит. Ну и наоборот, на макроизгибы надо всегда обращать внимание и стремиться к тому, чтобы их было поменьше особенно в межсезонье, когда бывает оптические линии подвесные и при изменении температуры кабель может натягиваться или отпускаться. В результате натягивания подвесного кабеля, волокно тоже натягивается, часть его вытягивается из сплайс кассеты кольца запаса волокна в сплайс кассете уменьшаются в диаметре. Это приводит к макроизгибам и на длине волны 1550 нм ухудшается или вовсе прекращается передача сигнала. Поэтому если вы заметили, что в системе передачи на длине волны в 1550 нм мощность сигнала резко уменьшилась или передача прекратилась, а на 1310 нм работает, то надо искать макроизгиб однозначно.
Теперь рассмотрим механизмы возникновения потерь в оптическом волокне. Первый из них – это Френелевское отражение, второй – это внутреннее поглощение в оптическом волокне и содержащихся в нём примесях и Рэлеевское рассеяние в оптическом волокне и содержащихся в нём примесях. Потери на микро- и макроизгибах мы уже частично рассмотрели, просто немного повторим.
Что такое коннекторное соединение? Какие эффекты здесь происходят? Представьте себе, как мы говорили ранее, свет идёт и распространяется по сердцевине оптического волокна. Есть два коннектора. Можем ли мы их подключить так друг другу, чтобы между сердцевиной одного волокна и сердцевиной другого волокна не попало даже атома воздуха? Конечно же, нет. В любом случае хоть как бы мы ни давили их друг в друга, в любом случае между ними будет воздух, потому как оно в воздухе находится. А воздух – другая среда. Поэтому сигнал, который идёт и распространяется по сердцевине оптического волокна, попадает на границу раздела двух сред. Каких сред? Сердцевину оптического волокна и воздуха. А если сигнал падает на границу раздела двух сред, то что происходит? Происходит отражение. Отражённый сигнал возвращается назад, конечно, он не весь отразится. Часть сигнала отражается, часть продолжает распространяться дальше. Сигнал, который отразился, возвращается назад к передатчику.
Помните, мы говорили, что свет в инфракрасном диапазоне очень горячий, поэтому, когда он отражается и приходит в передатчик, мы видим, что наш SFP модуль греется. Замечали такой эффект? Поэтому если вы хотите, чтобы он не так грелся, надо следить за тем, чтобы отражение на коннекторных соединениях по линиям были поменьше. Для этого используются коннекторы с полировкой APC или нужно следить за чистотой коннекторов. Чем грязнее коннектор, тем больше отражение будет уходить назад. Вообще, коннектам будет посвящён целый вебинар. Он будет следующим. Об этом вы будете говорить с моим коллегой, про коннекторы, про типы коннекторов, про типы полировок коннекторов, как и где их использовать, характеристики и т. д. Очень полезно и интересно. Вот такое соединение, которое вы сейчас видите на экране, это коннекторное соединение и здесь происходит отражение. Отражения эти называются Френелевскими отражениями, потому как учёный Френель их исследовал.
На рефлектограмме эти повреждения, вернее, неоднородности отображаются в виде таких пиков. Если вы видели рефлектограмму, вы знаете, что вот это коннектор. Конец линии обозначается таким же самым образом. Потому что конец линии это и есть тот же самый коннектор. Часто говорят, что даже обрыв это то же самое. Иногда да, если обрыв так получился, что оптическое волокно сломалось более-менее ровно, то обрыв может выглядеть тоже так же. Но чем хуже сломалось оптическое волокно, чем более криво, тем меньше будет отражение. Бывает такое, что при обрыве вообще отражения нет. Просто потери большие пошли и всё. Это возникает в случаях, когда волокно оборвалось и на торец волокна попал гидрофобный заполнитель, который есть в кабеле. В таком случае сигнал попал в этот гидрофобный заполнитель и где-то там потерялся и назад ничего не вернулось.
Следующий тип событий – это Рэлеевское рассеяние. Оно возникает из-за примесей, которые есть в сердцевине оптического волокна. Если помните предыдущий вебинар, то мы рассказывали, как делается оптическое волокно, как вносятся примеси в сердцевину оптического волокна и без них вообще никак нельзя. Без них передачи вообще не возникало, не создавались бы условия для передачи информации по сердцевине оптического волокна. Этот эффект исследовал учёный Рэлей и поэтому эти центры (эти участки примесей) называют Рэлеевскими центрами. Они примерно равномерно распределены вдоль всего волокна и когда свет идёт (источник передаёт информацию) часть сигналов проходит беспрепятственно, другая часть наталкивается на эти Рэлеевские центры и отражается в разные стороны. Представьте, бах и разлетелся: часть попала вверх, часть вниз, часть в сторону, часть ещё куда-то и маленькая часть вернулась назад к источнику. Единственное, что отличает от Френелевского отражения это то, что здесь мощность сигнала, которая отражается, очень-очень маленькая.
И так она отражается в каждой точке волокна, Нам это очень помогает при обнаружении потерь на сварках, потому что прибор – рефлектометр, который мы подключаем для этой цели к линии, «видит» уровень мощности сигнала в каждой точке рефлектограммы и может отследить степень его затухания в каждой точке волокна.
Если рефлектометр видит, что с одной точке отразилось много сигнала, а со следующей, которая находится через метр, отразилось мало сигнала, значит, что? Значит, с той, которая через метр, отразилось то же самое, только где-то на этом участке коротком оно затухло. И в результате этот порог устанавливается и прибор делает вывод, что здесь сварка с такими-то потерями. Поэтому Рэлеевские центры в данном случае очень помогают, но они, конечно же, приводят к тому, что мощность сигнала в итоге, который распространяется, он уменьшается. Рэлеевский центр приводит к какому-то уровню отражений и, кроме того, к затуханию оптического сигнала в оптическом волокне.
Стоит отметить, что при сварке оптического волокна разных производителей может наблюдаться вот такой эффект. При производстве оптического волокна есть какие-то допуски, сколько запускать примесей в сердцевину оптического волокна. Конечно, они стандартизированы, плюс-минус, но у каждого производителя этот коэффициент немножко отличается. Я имею в виду коэффициент преломления сердцевины оптического волокна. Отличается он в основном тысячными долями, иногда сотые доли. Отличается немного, но тем не менее. Если так получается, что свариваются два волокна, которые были выпущены различными производителями, то сейчас утрировано я иллюстрирую эту картинку. Одно волокно имеет больше примесей, другое волокно имеет меньше примесей. Если мы оптическим рефлектометром измеряем со стороны А в сторону B (направление, изображенное красной стрелкой), то отражённый сигнал сначала возвращается большой, вследствие отражения от большого количества примесей, а после сварки уровень отраженного сигнала (рассеянного) резко падает.
Анализируя рефлектограмму можно сделать ошибочный вывод, что на сварном соединении происходит сильное затухание сигнала. Однако это не обязательно так. Чтобы убедиться, необходимо провести измерение потерь на той же сварке с другой стороны волокна (со стороны B в сторону A).
В этом случае потери на сварном соединении определяются как среднее арифметическое потерь, измеренных с разных сторон линии.
Поэтому во всех отчётах при паспортизации оптических линий требуют на каждом сваянном соединении рассчитать это значение средних потерь на каждой из длин волн: на 1310 нм и 1550 нм. Это мы будем более подробно рассматривать, когда будем рассматривать паспортизацию оптических линий.
Кроме того, что происходит отражение от Рэлеевских центров, происходит ещё и внутреннее поглощение. На самом деле это неразрывные понятия, но там мы рассматривали отражение, а тут другая сторона того же самого поглощения. Конечно, если сигнал отразился, то дальше он не пошёл. Поэтому если смотреть с точки зрения поглощения, то он куда-то поглотился этот сигнал. В результате мощность сигнала постоянно уменьшается, уменьшается и уменьшается. Если привязать это значение к длине волны, то сигнал на разных длинах волн затухает по-разному. Этот коэффициент называется погонные потери, погонное затухание оптического волокна. Я рекомендую запомнить следующие цифры: на длине волны 1310 нм – 0,33 дБ/км. Я не говорю, что это аксиома, оно может 0,32, 0,34, 0,35, 0,30 дБ/км. Но это не считается ошибкой, если будет 0,32 дБ/км или 0,34 дБ/км или другое названное значение. Проще запомнить – 0,33 дБ/км. На длине волны в 1550 нм 0,22 дБ/км. Тоже проще запомнить. Хотя может быть 0,19, 0,20 0,21 дБ/км. Но чаще всего больше, чем 0,22 дБ/км, ну 0,23 дБ/км разве что. Больше оно не бывает, обычно меньше. Но мне эта цифра удобна, потому что проще запоминать. Я так рекомендую. На 1490 нм и на 1625 нм тоже есть цифры, но я их особо не помню. В принципе их редко надо помнить. Обычно вот эти длины волн используются для паспортизации, поэтому чаще всего этими значениями и оперируют.