Элементная база ВОЛС: волоконно-оптические кабели, оптические соединители, разветвители, коммутаторы

  Нормированная частота. Другим важным параметром, характеризующим волокно и распространяющийся по нему свет, является нормированная частота V, которая определяется как

   ,

  где d - диаметр сердцевины волокна.

  Номенклатура  мод. При более строгом рассмотрении процесса распространения света по волокну следует решать волновые уравнения Максвелла. Именно в этой трактовке лучи ассоциируются с волнами, причем различные типы волн - решения уравнений - называются модами. Сами моды обозначаются буквами Е и/или Н с двумя индексами n и m (Е_nm и Н_nm). Индекс n - характеризует азимутальные свойства волны (число изменений поля по окружно-сти), a m - радиальные (число изменений поля по диаметру). По оптическому волокну распространяются только два типа волн: симметричные (Е_оm и Н_оm), у которых только одна продольная составляющая, и несимметричные (смешанные) (Е_nm и Н_nm), у которых имеется две продольные составляющие. При этом, если преобладает продольная составляющая электрического поля – Е_Z, то волна обозначается EH_nm, а если преобладает продольная составляющая магнитного поля – Н_Z, то волна называется НЕ_nm. Сопоставляя волновую теорию с геометрической оптикой, следует отметить, что симметричные моды Е и Н соответствуют меридиональным лучам, несимметричные моды Е_nm и Н_nm – косым.

  Количество  мод. Если при V < 2,405 может распространяться только одна мода, то с ростом количество мод начинает резко расти, причем новые типы мод "включаются" при переходе V через определенные критические значения.

  

  При больших  значениях V количество мод N_m для ступенчатого волокна можно оценить по формуле:

    

  Значение  этого выражения может быть как  целым, так и дробным. В действительности же число мод может быть только целым и составлять величину от одной  до нескольких тысяч. Количество мод  для градиентного оптического волокна  с параболическим профилем сердцевины:

   На рис.4 показана общая картина  распространения света по разным типам световодов: многомодовому ступенчатому, многомодовому градиентному, и одномодовому ступенчатому волокну:

  Рис.4. Распространение  света по разным типам волокон:

а.)многомодовое ступенчатое волокно;

б.)многомодовое градиентное волокно;

в.)одномодовое ступенчатое волокно.

 

  Длина волны отсечки (cutoff wavelength) Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для одномодового волокна. Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии, ведущий к уменьшению полосы пропускания волокна - межмодовая дисперсия. Различают волоконную длину волны отсечки (λ_СF) и кабельную длину волны отсечки(λ_СCF). Первая соответствует слабо напряженному волокну. На практике же волокно помещается в кабель, который при прокладке испытывает множество изгибов. Кроме этого, сильные искривления волокон происходят при их укладке в сплайс-боксах. Все это ведет к подавлению побочных мод и смещению λ_СCF в сторону коротких длин волн по сравнению с λ_СF.

   Затухание. Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями. На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощении ; потери на рассеянии; кабельные потери. Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями:

 Рис.5. Основные типы потерь в волокне 
 
 
 
 
 
 
 

  Полное  затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:

  α=α_int + α_rad + α =α_abs + α _sct + α_rad

  Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого  кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния (вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне) и инфракрасного поглощения (см. Рис. 1). 

Волоконно-оптические компоненты

  По мере роста сложности и протяжённости  волоконно-оптических кабельных систем, роль таких компонентов, как соединители, разветвители, коммутаторы, растёт.  
 

  Волоконно-оптические соединители

  Оптический  соединитель - это устройство, предназначенное для соединения различных компонентов волоконно-оптического линейного тракта в местах ввода и вывода излучения. Такими местами являются: оптические соединения опто-электронных модулей (приемников и передатчиков) с волокном кабеля, соединения отрезков оптических кабелей между собой, а также с другими компонентами. Неразъемные соединители используются в местах постоянного монтажа кабельных систем. Основным методом монтажа, обеспечивающим неразъемное соединение, является сварка. Разъемные соединители (широко употребляется термин коннекторы, connectors) допускают многократные соединения/разъединения. Промежуточное положение занимают соединения типа механический сплайс.

  Конструкция оптических разъемов.

  В общем  случае оптический разъем состоит из трех основных частей:

  1.  Наконечник - ферул.

  2.  Соединительная  розетка.

  3.  Стягивающая  гайка.

  Вид типичного  оптического разъема в сборке приведен на рис.6.:

В частности, конструкция  разъёма может быть симметричной и несимметричной. Это показано на рис. 7:

   Конструкции соединителей:

  а) несимметричная;

  б) симметричная;

  в) наконечник и центратор розетки симметричного соединителя

  Обозначения:

  1 - соединитель  гнездовой; 

  2 - наконечник-капилляр;

  3 - соединитель  штекерный; 

  4 - кевларовые нити;

  5 - эпоксидный  наполнитель; 

  6 - соединитель; 

  7 - переходная  соединительная розетка (адаптер);

  8 - оптический  наконечник;

  9 - центрирующий  элемент розетки; 

  10 - оптическое  волокно; 

  11 – миникабель. 
 
 

  Оголенный отрезок волокна вставляется  в канал наконечника и удерживается резиной или термоплавким клеем. Выступающий конец волокна затем скалывается и полируется. Требования к точности полировки высоки: более, чем 0,1 микрон в линейном выравнивании и порядка 5° на угловое выравнивание. Существуют специальные технологии и методы полировки и соединения, обеспечивающие необходимые параметры соединения.

  Параметры разъемных соединений:

  Вносимые  потери. Коэффициент передачи оптической мощности (коэффициент прохождения) D при торцевом соединении определяется как D = Р_out / Р_in, а вносимые потери а - исходя из соотношения a = - 10lgD= -10lgP_out / P_in [дБ], где Р_in и Р_out соответственно интенсивности излучения на входе и выходе соединения. Точный замер этих параметров на практике соответствует следующей процедуре. Сначала находят интенсивность на непрерывном участке волокна, что соответствует градуировке приемника (Р_in). Затем разрывают волокно и после оконцевания соединителями мест разрыва вновь соединяют. Вторичный замер интенсивности соответствует Р_out. Обычно вносимые потери зависят от типа волокна (многомодовое или одномодовое), типов и качества соединителей и составляют от 0,3 до 0,5 децибела. Вносимые потери можно разбить на две категории: внутренние и внешние потери. Внутренние потери определяются факторами, которые невозможно контролировать (достичь их улучшения при заделке волокна в соединитель), а именно парной вариацией диаметров сердцевин, показателей преломления, числовых апертур, эксцентриситетов сердцевина/оболочка и концентричностей сердцевины у волокон с разных сторон. Причем следует аддитивно учитывать все эти потери. Можно ожидать случайное изменение этих факторов даже в том случае, когда волокна одинакового стандарта или с одной и той же катушки.

   Внешние потери – это потери, которые являются следствием несовершенства как самой конструкции соединителя, так и процесса сборки оптического шнура. Внешние потери зависят от таких факторов как: механическая нестыковка (углово смещение Θ, радиальное смещение L, осевое смещение S); шероховатости на торце сердцевины; загрязнение участка между торцами волокон, рис. 8:

   Четыре главных вида внешних потерь в соединителе [3]: а) потери при угловом смещении; б) потери при радиальном смещении; в) потери при осевом смещении; г) потери из-за френелевского рассеяния на неоднородностях 
 
 

  Обратное  отражение. Обратное отражение является вторым по пагубности фактором после вносимых потерь. Коэффициент обратного отражения R определяется как

  R=P_r/P_in ,

а потери на обратном отражении или просто обратные потери b - определяются как

  b = 10lgR = 10lg(P_r /Р_in) [дБ],

где Р_r - интенсивность отраженного излучения. Знак минус (в отличии от соотношения для вносимых потерь) здесь намеренно отсутствует, что ведёт к отрицательным значениям обратных потерь. Лучшими характеристиками обладает соединение с более низкими вносимыми потерями (ближе к 0 дБ или более отрицательными) обратными потерями. Основным фактором, вносящим вклад в обратное отражение, является френелевское отражение вследствие зазора (обычно воздушного) между торцами волокон. К росту обратного отражения ведет большое количество микротрещин на торцевой поверхности волокна. Уменьшать их количество можно, выбирая оптимальную технологию полировки поверхности наконечника.

  Неразъемное соединение волокон

  Неразъемное соединение, или сросток, постоянно  соединяет два волокна. Существуют два типа соединений (сростков):

  1. Механическое соединение(механический сплайс).

  2. Сварное  соединение.

  Самое важное в процедуре формирования неразъемного соединения (или сращивания) — точно  выровнять концы двух волокон перед их соединением. Хорошая полировка концов волокон и их очистка также важны при совершении этой процедуры.

  Механический  сплайс (МС) При разрыве волокон ВОК, например в полевых условиях, можно восстановить повреждения, не прибегая к сварке волокон. МС - это прецизионное, простое в использовании, не дорогое устройство для быстрой стыковки обнаженных многомодовых и одномодовых волокон в покрытии с диаметром 250 мкм-1 мм посредством специальных механических зажимов. МС предназначен для многоразового (организация временных соединений) или одноразового (организация постоянного соединения) использования. Стеклянный капилляр, заполненный иммерсионным гелем, обеспечивает вносимые потери < 0,2 дБ и обратные потери < -50 дБ,. По надежности и по вносимым потерям механический сплайс уступает сварному соединению.

  Сварка (fusion splicing) оптических волокон основана на их точном центрировании, после чего волокна свариваются друг с другом при помощи дугового разряда между электродами. Центрирование волокон представляет собой либо автоматическое центрирование, либо центрирование в V-образном пазу.

  Сварка  создает неразрывное соединение и поэтому обеспечивает наилучшие  характеристики по вносимым и обратным потерям по сравнению с разъемным  соединением или механическим сплайсом. Но выбор соединения не всегда простой. Сравнительные характеристики даны в табл. 2:

 
 

Оптические  разветвители

  Одним из наиболее важных устройств, относящихся к  пассивным компонентам ВОЛС, является оптический разветвитель (coupler, другое название splitter). Разветвители широко используются при построении распределенных волоконно-коаксиальных сетей кабельного телевидения, а также в межгосударственных проектах полностью оптических сетей (all-optical networks). В обоих случаях сети без использования разветвителей были бы значительно дороже. Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами.

Различают направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чувствительные к длине волны и нечувствительные. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать или на прием сигнала или на передачу, или осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле.