Расчет параметров оптического волокна SM - 9/125 фирмы Lucent Technologies

ВВЕДЕНИЕ 

     Современная эпоха характеризуется стремительным  процессом информатизации общества. Это сильней всего проявляется  в росте пропускной способности  и гибкости информационных сетей. Полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается благодаря нескольким факторам. Во-первых, растет популярность приложений World Wide Web и количество электронных банков информации, которые становятся достоянием каждого человека. Падение цен на персональные компьютеры приводит к росту числа домашних ПК, каждый из которых потенциально превращается в устройство, способное подключиться к сети Internet. Во-вторых, новые сетевые приложения становятся все более "прожорливыми" в отношении полосы пропускания – входят в практику разнообразные приложения Internet, ориентированные на мультимедиа и видеоконференцсвязь, когда одновременно открывается очень большое количество сессий передачи данных. Как результат, наблюдается резкий рост в потреблении ресурсов Internet – по оценкам средний объем потока информации в расчете на одного пользователя в мире увеличивается в 8 раз каждый год. Следует дополнительно отметить, что и сама коммуникационная индустрия является поставщиком гетерогенных коммуникационных служб, способствуя мировой информационной интеграции и возрастанию нагрузки на сеть.

     В достаточной мере отвечать растущим объемам передаваемой информации на уровне сетевых магистралей можно  используя оптическое волокно. И  поставщики средств связи при  построении современных информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы наиболее часто. Это касается как построения протяженных телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Волоконная оптика, став главной рабочей лошадкой процесса информатизации общества, обеспечила себе гарантированное развитие в настоящем и будущем. Сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах, связанных с передачей информации. Стало допустимым подключение рабочих станций к информационной сети с использованием волоконно-оптического миникабеля. Однако, если на уровне настольного ПК волоконно-оптический интерфейс только начинает единоборство с проводным, то при построении магистральных сетей давно стало фактом безусловное господство оптического волокна. Коммерческие аспекты оптического волокна также говорят в его пользу – волокно изготавливается из кварца, то есть на основе песка, запасы которого очень велики. [2]

     В настоящем курсовом проекте производится расчет параметров оптического волокна SM - 9/125 фирмы Lucent Technologies. Это одномодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления. Вообще одномодовые волокна используются для создания кабелей магистральных линий связи в следствии их большой полосы пропускания, а так же при создании различных измерительных приборов (например, интерферометров).

        При строительстве наземных магистральных линий связи на основе кабелей с одномодовыми оптическими волокнами длина регенерационных участков составляет 100 – 150 км. В настоящем курсовом проекте было взято значение 100 км.  
 
 
 
 
 

1 ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО 

1.1 Типы оптических волокон 

      Оптические  волокна производятся разными способами, обеспечивают передачу оптического  излучения на разных длинах волн, имеют  различные характеристики и выполняют  разные задачи. Все оптические волокна  делятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

      Многомодовые  волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index multi mode fiber).

      Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые  одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber). [2]

      Типы  и размеры волокон приведены  на рисунке 1. Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина, по которой происходит распространение светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного материала. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и оболочки. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины. У многомодового градиентного волокна и одномодового волокна со смещенной дисперсией показатель преломления сердцевины зависит от радиуса. Такой более сложный профиль делается для улучшения технических характеристик или для достижения специальных характеристик волокна.

      Если  сравнивать многомодовые волокна между собой (рисунок 1 а, б), то градиентное волокно имеет лучшие технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в градиентном многомодовом волокне - основной источник дисперсии - значительно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна.

       а) многомодовое ступенчатое волокно 
 
 
 
 
 

      б) многомодовое градиентное волокно

        в) ступенчатое одномодовое  г) одномодовое волокно

           волокно (SF)        со смещенной дисперсией (DSF)

      Рисунок 1 – Типы оптических волокон

      Одномодовое волокно имеет значительно меньший  диаметр сердцевины по сравнению  с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков.

      В ВОЛС наиболее широко используются следующие  стандарты волокон (таблица 1):

     многомодовое  градиентное волокно 50/125 (рисунок 1 а);

     многомодовое градиентное волокно 62,5/125 (рисунок 1 б);

     одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с  несмещенной дисперсией или стандартное  волокно) 8-10/125 (рисунок 1 в);

      одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (рисунок 1 г);

      одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

      Таблица 1 – Стандарты оптических волокон и области их применения

      Большинство устройств волоконной оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 800 до 1600 нм в основном в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм. Именно окрестности этих трех длин волн образуют локальные минимумы затухания сигнала и обеспечивают большую дальность передачи.

      Многомодовые градиентные волокна

     В стандартном многомодовом градиентном  волокне (50/125 или 62,5/125) диаметр светонесущей жилы 50 и 62,5 мкм, что на порядок больше длины волны передачи. Это приводит к распространению множества  различных типов световых лучей - мод - во всех трех окнах прозрачности. Два окна прозрачности 850 и 1310 нм обычно используют для передачи света по многомодовому волокну.

      Одномодовые волокна

     В ступенчатом одномодовом  волокне (SF) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света λ> λ _CF (λ > λ _CF – длина волны отсечки) распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3-0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

     В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF) длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль, – длина волны нулевой дисперсии λ _о – смещена в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна, рисунок 1 г. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм.

    Одномодовое волокно с ненулевой  смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей "полностью оптических сетей" – сетей, на узлах которых не происходит опто-электронного преобразования при распространении оптического сигнала.

    Передача мультиплексного сигнала на большие расстояния требует использования линейных широкополосных оптических усилителей, из которых наибольшее распространение получили так называемые эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волокна (EDFA). Линейные усилители типа EDFA эффективно могут усиливать сигнал в своем рабочем диапазоне от 1530-1560 нм. Длина волны нулевой дисперсии у волокна NZDSF, в отличие от волокна DSF, выведена за пределы этого диапазона, что значительно ослабляет влияние нелинейных эффектов в окрестности точки нулевой дисперсии при распространении нескольких длин волн.

    Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых  волокон совершенно не означает, что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи: SF – передача сигнала на длине волны 1310 нм, DSF – передача сигнала на длине волны 1550 нм, NZDSF – передача мультиплексного сигнала в окне 1530-1560 нм. Так, например, мультиплексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому одномодовому волокну SF. Однако длина безретрансляционного участка при использовании волокна SF будет меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей хроматической дисперсии. Максимальное допустимое расстояние определяется техническими характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией), так и приемопередающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным уширением излучения передатчика, чувствительностью приемника). 

1.2 Распространение света по волокну 

      Основными факторами, влияющими на характер распространения  света в волокне, наряду с длиной волны излучения, являются: геометрические параметры волокна; затухание; дисперсия.

       Геометрические  параметры волокна

     Относительная разность показателей преломления. Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна, рисунок 2.

     Рисунок 2 – Ход лучей в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым профилем

     Будем обозначать через n₁ и n₂ показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно. Один из важных параметров, который характеризует волокно, это – относительная разность показателей преломления Δ: