Здравствуйте! Я хотела бы получить у Вас консультацию по видам потерь оптического кабеля. Как называются потери, обусловленные наличием изгибов и нерегулярностей по длине кабеля – потери, обусловленные различием в температурных коэффициентах удлинения стекла и материала оболочки? Как описываются потери, обусловленные скруткой оптических волокон по длине кабеля, к чему приводит наличие неравномерности границы раздела "сердцевина-оболочка" и т.п. явления?
Ваш вопрос затрагивает сразу несколько важных аспектов передачи сигналов по волоконной оптике, поэтому начнем с основы – со строения оптического волокна. Первыми были созданы волокна с т.н. ступенчатым показателем преломления. Световод состоит из двух частей – ядра (центральной части, оптической среды с определенным показателем преломления, n1) и демпфера (оптической среды с несколько меньшим показателем преломления, n2). За счет разницы в показателях преломления реализуется явление полного внутреннего отражения, что и позволяет передавать сигналы по оптическому волокну на большие расстояния.
Сперва и одномодовые, и многомодовые волокна имели ступенчатый показатель преломления. Технология изготовления такой продукции была достаточно проста, и она имела большое распространение. Однако со временем выяснилось, что если в одномодовых волокнах ступенчатый показатель преломления приемлем и обеспечивает достаточно хорошие результаты передачи сигналов, то в многомодовых волокнах (в основном именно из-за многомодовости) возникает целый ряд нежелательных эффектов, когда сигнал на выходе размывается и утрачивает исходную форму. Комплексное название этих явлений – дисперсия.
Дисперсия – это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по оптическому волокну. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон оптического волокна, но и существенно снижает дальность передачи сигналов, т.к. чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.
В общем случае дисперсия определяется тремя основными факторами:
Дисперсия мод (она же модальная, модовая, межмодовая или многомодовая дисперсия, в зависимости от литературного источника) приводит к рассеиванию сигнала за счет того, что разные лучи распространяются по разным путям (модам). Одни из них проходят меньшее, другие большее расстояние, в результате чего сигнал размывается по времени. Межмодовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна. Этот вид дисперсии является основным фактором, затрудняющим передачу сигналов по многомодовым волокнам.
Хроматическая (она же частотная) дисперсия является следствием того, что длина волны испускаемого источником света не однозначна, а лежит в определенном диапазоне длин волн, т.е. в спектре. Лучи с разной длиной волны (даже в одной и той же моде) распространяются с разной скоростью, что приводит к рассеиванию сигнала на выходе. Хроматическая дисперсия складывается из внутримодовой (волноводной) дисперсии, материальной дисперсии и профильной дисперсии.
Материальная дисперсия определяется различием в скорости распространения сигналов из-за разницы в длинах волн. Этот параметр очень важен для одномодовых волокон.
Волноводная дисперсия обусловлена направляющими свойствами волокна, поскольку свет распространяется в ядре и в демпфере с разными скоростями, и на границе раздела сред возникают довольно сложные явления, на которые также влияет длина волны. Этот параметр также критичен для одномодового волокна.
Профильная дисперсия, некоторыми источниками не выделяемая в отдельное явление (тогда ее считают составной частью волноводной дисперсии), определяется соотношением коэффициентов преломления ядра и демпфера и профилем раздела сред. Ранние многомодовые волокна имели ступенчатый показатель преломления, но затем для снижения дисперсии были разработаны волокна с т.н. градиентным показателем преломления. В таких волокнах отсутствует четкая граница раздела сред, поскольку показатель преломления в них меняется постепенно.
Это позволяет уменьшить дисперсию – лучи, проходящие дальше от центра ядра, преодолевают больший путь, чем лучи, близкие к оси световода, но зато они распространяются в среде с меньшим показателем преломления, то есть их скорость выше, за счет чего и происходит компенсация, синхронизация мод. В настоящее время подавляющее большинство многомодовых волокон имеет градиентный показатель преломления.
Помимо этого усовершенствования, за последние годы было значительно улучшено качество материала световодов и его чистота, свобода от посторонних включений и примесей. Это благоприятно повлияло на характеристики и многомодовых, и одномодовых волокон. Были разработаны одномодовые волокна со смещенной дисперсией, в которых на определенной длине волны материальная и волноводная дисперсия компенсировали друг друга. Было изучено явление распространения поляризованного сигнала в одномодовом волокне и соответствующая дисперсия, и другие эффекты.
Когда стали все больше и больше распространяться гигабитные приложения, выяснилось, что обычное многомодовое волокно в состоянии обеспечивать нужную полосу пропускания только на ограниченных расстояниях. Казалось бы, если вместо обычных светодиодных источников взять новые быстродействующие лазеры VCSEL (лазеры поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором) или обычные лазеры, то должна быть возможна реализация гигабитных приложений по уже существующим многомодовым волокнам, однако эта идея натолкнулась на некоторые препятствия. Светодиодные источники дают широкий пучок света (пятно) и буквально заполняют (а то и переполняют) ядро модами. Лазерные источники дают узкий, сильно сфокусированный пучок. При попытке передать такой пучок по многомодовому волокну выявились чудовищные искажения сигнала. Выяснилось, что обычные многомодовые волокна точно по оси, центру ядра, имеют дефекты, скачок показателя преломления, объясняемый технологией изготовления волокна на заводах.
Широкий пучок от светодиодного источника «не замечал» этих неоднородностей, поскольку дисперсия мод вызывала гораздо более серьезные проблемы, и на их фоне осевые дефекты скрадывались. Как только по многомодовым волокнам стали пропускать узкий пучок от лазера, вводя его по центру ядра, явление проявилось во всей своей полноте. Проблема нашла два решения:
Новые волокна, конечно, дороже, зато позволяют реализовать не только 1-гигабитные приложения, но и 10-гигабитные. Сейчас в каталогах производителей можно встретить обозначение MM Laser Grade – это многомодовые волокна улучшенной конструкции, оптимизированные для использования лазерных источников и не требующие смещенного ввода светового пучка. Это позволяет в некоторых случаях многомодовым волокнам конкурировать с одномодовыми, предоставляя заказчикам возможность выбора.
Возвращаясь к вашему вопросу о потерях, следует отметить, что любая неидеальность в волокне служит причиной ухудшения сигнала. И дисперсия, и затухание в волокне могут расти в результате макро- и микро-изгибов, из-за наличия посторонних включений, неравномерностей в изменении коэффициента преломления, из-за неправильной заделки волокна, несоответствующего монтажа, использования оптического кабеля вне рабочего диапазона температур и т.п. В условиях проникающей радиации оптическое волокно тускнеет, и это сужает возможности использования волоконной оптики на специфических объектах.
Температурные деформации также могут внести свою лепту в ухудшение характеристик волоконной оптики. Для внутренней прокладки (то есть в условиях небольшого разброса температур) предназначен кабель с плотным буфером. Плотный буфер, прилегающий непосредственно к световоду, обеспечивает хорошую защиту от физических воздействий. Температурные деформации внутри помещений невелики, ими можно пренебречь. Для внешней прокладки предназначен кабель со свободным буфером, где пространство между собственно световодом и его оболочкой или оставлено пустым, или заполнено гелевым водоотталкивающим составом. Само волокно со свободным буфером менее защищено от физических воздействий, но зато устойчиво к температурным деформациям, поскольку усадка оболочки не приводит к нагрузке или деформации световода. А от физических воздействий защиту обеспечивают внешние оболочки кабеля, которые могут насчитывать много слоев и усиливаться специальными армирующими элементами. Есть даже бронированные виды оптических кабелей, виды, предназначенные для прямого закапывания, а также самонесущие кабели для воздушной прокладки и другие.
Более подробную информацию вы найдете в следующей литературе:
Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. — М.: Компания Сайрус Системс, 1999. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. — М.: Эко-Трендз, 1998. David R. Goff. Fiber Optic Reference Guide. A practical guide to the technology. — Focal Press, Force, Incorporated, 1999. Jeff Hecht. Understanding Fiber Optics. — Sams publishing, 1993.
