Види втрат в оптичному кабелі

Види втрат в оптичному кабелі.

Першими були створені волокна з т ак н азиваемим ступінчастим показником заломлення. Световод складається з двох частин - ядра (центральної частини, оптичного середовища з певним показником заломлення, n1) і демпфера (оптичного середовища з дещо меншим показником заломлення, n2). За рахунок різниці в показниках заломлення реалізується явище повного внутрішнього відображення, що і дозволяє передавати сигнали через оптичне волокно на великі відстані.

Спершу і одномодові, і багатомодові волокна мали ступінчастий показник заломлення. Технологія виготовлення такої продукції була досить проста, і вона мала велике поширення. Однак згодом з'ясувалося, що якщо в одномодових волокнах ступінчастий показник заломлення прийнятний і забезпечує досить хороші результати передачі сигналів, то в багатомодових волокнах (в основному саме через багатомодовий) виникає цілий ряд небажаних ефектів, коли сигнал на виході розмивається і втрачає вихідну форму . Комплексне назва цих явищ - дисперсія.

Дисперсія - це розсіювання в часі спектральних або модових складових оптичного сигналу, яке призводить до збільшення тривалості імпульсу оптичного випромінювання при поширенні його через оптичне волокно. Дисперсія не тільки обмежує частотний діапазон оптичного волокна, а й істотно знижує дальність передачі сигналів, тому що чим довше лінія, тим більше збільшення тривалості імпульсів.

У загальному випадку дисперсія визначається трьома основними факторами:

- різницею в швидкості поширення різних мод
- напрямними властивостями оптичного волокна
- фізичними параметрами матеріалу волокна

Дисперсія мод (вона ж модальна, модовая, межмодовая або багатомодового дисперсія, в залежності від літературного джерела) призводить до розсіювання сигналу за рахунок того, що різні промені поширюються по різних шляхах (модам). Одні з них проходять меншу, інші більшу відстань, в результаті чого сигнал розмивається за часом. Межмодовая дисперсія зростає зі збільшенням довжини волокна. Цей вид дисперсії є основним фактором, що утрудняє передачу сигналів по багатомодовим волокнам.

Хроматична (вона ж частотна) дисперсія є наслідком того, що довжина хвилі випускається джерелом світла не однозначна, а лежить в певному діапазоні довжин хвиль, тобто в спектрі. Промені з різною довжиною хвилі (навіть в одній і тій же моді) поширюються з різною швидкістю, що призводить до розсіювання сигналу на виході. Хроматична дисперсія складається з внутрімодовой (хвилеводної) дисперсії, матеріальної дисперсії і профільної дисперсії.

Матеріальна дисперсія визначається різницею в швидкості поширення сигналів через різницю в довжинах хвиль. Цей параметр дуже важливий для одномодових волокон.

Волноводная дисперсія обумовлена напрямними властивостями волокна, оскільки світло поширюється в ядрі і в демпфері з різними швидкостями, і на межі розділу середовищ виникають досить складні явища, на які також впливає довжина хвилі. Цей параметр також критичний для одномодового волокна.

Профільна дисперсія, деякими джерелами не виділяється в окреме явище (тоді її вважають складовою частиною хвилеводної дисперсії), визначається співвідношенням коефіцієнтів заломлення ядра і демпфера і профілем розділу середовищ. Ранні багатомодові волокна мали ступінчастий показник заломлення, але потім для зниження дисперсії були розроблені волокна з т.к. градієнтним показником заломлення. У таких волокнах відсутня чітка межа розділу середовищ, оскільки показник заломлення в них змінюється поступово.

Це дозволяє зменшити дисперсію - промені, що проходять далі від центру ядра, долають більший шлях, ніж промені, близькі до осі світловода, але зате вони поширюються в середовищі з меншим показником заломлення, тобто їх швидкість вище, за рахунок чого і відбувається компенсація, синхронізація мод. В даний час переважна більшість багатомодових волокон має градієнтний показник заломлення.

Крім цього удосконалення, за останні роки було значно покращено якість матеріалу світловодів і його чистота, свобода від сторонніх включень і домішок. Це сприятливо вплинуло на характеристики і багатомодових, і одномодових волокон. Були розроблені одномодові волокна зі зміщеною дисперсією, в яких на певній довжині хвилі матеріальна й хвильова дисперсія компенсували один одного. Було вивчено явище поширення поляризованого сигналу в одномодовому волокні і відповідна дисперсія, і інші ефекти.

Коли стали все більше і більше поширюватися гігабітні додатки, з'ясувалося, що звичайне багатомодове волокно в змозі забезпечувати потрібну смугу пропускання тільки на обмежених відстанях. Здавалося б, якщо замість звичайних світлодіодних джерел взяти нові швидкодіючі лазери VCSEL (лазери поверхневого випромінювання з вертикальним об'ємним резонатором) або звичайні лазери, то повинна бути можлива реалізація гігабітних додатків по вже існуючим багатомодовим волокнам, проте ця ідея наштовхнулася на деякі перешкоди. Світлодіодні джерела дають широкий пучок світла (пляма) і буквально заповнюють (а то і переповнюють) ядро модами. Лазерні джерела дають вузький, сильно сфокусований пучок. При спробі передати такий пучок по многомодовому волокну було виявлено жахливі спотворення сигналу. З'ясувалося, що звичайні багатомодові волокна точно по осі, центру ядра, мають дефекти, стрибок показника заломлення, який пояснюється технологією виготовлення волокна на заводах.

Широкий пучок від світлодіодного джерела "не помічав" цих неоднорідностей, оскільки дисперсія мод викликала набагато серйозніші проблеми, і на їх фоні осьові дефекти скрадалися. Як тільки по багатомодовим волокнам стали пропускати вузький пучок від лазера, вводячи його по центру ядра, явище проявилося у всій своїй повноті. Проблема знайшла два рішення:

- децентрірованного введення пучка світла (з допомогою спеціальних волоконно-оптичних перемичок, оконцованнимі спеціально розробленими коннекторами) - т.зв. зміщений введення
- розробка більш високоякісних багатомодових волокон з градієнтним показником заломлення, що не мають провалів в профілі.

Нові волокна, звичайно, дорожче, зате дозволяють реалізувати не тільки 1-гігабітні додатки, але і 10-гігабітні. Зараз в каталогах виробників можна зустріти позначення MM Laser Grade - це багатомодові волокна поліпшеної конструкції, оптимізовані для використання лазерних джерел і не потребують зміщеного введення світлового пучка. Це дозволяє в деяких випадках багатомодовим волокнам конкурувати з одномодовими, надаючи замовникам можливість вибору.

Повертаючись до питання про втрати, слід зазначити, що будь-яка неідеальність в волокні спричиняє погіршення сигналу. І дисперсія, і загасання у волокні можуть рости в результаті макро- і мікро-вигинів, через наявність сторонніх включень, неравномерностей в зміні коефіцієнта заломлення, через неправильну закладення волокна, невідповідного монтажу, використання оптичного кабелю поза робочого діапазону температур і т .п. В умовах проникаючої радіації оптичне волокно тьмяніє, і це звужує можливості використання волоконної оптики на специфічних об'єктах.

Температурні деформації також можуть внести свою лепту в погіршення характеристик волоконної оптики. Для внутрішньої прокладки (тобто в умовах невеликого розкиду температур) призначений кабель із щільним буфером. Щільний буфер, що прилягає безпосередньо до световоду, забезпечує гарний захист від фізичних впливів. Температурні деформації всередині приміщень невеликі, ними можна знехтувати. Для зовнішньої прокладки призначений кабель з вільним буфером, де простір між власне световодом і його оболонкою або пустим, або заповнене гелевим водовідштовхувальним складом. Саме волокно з вільним буфером менш захищене від фізичних впливів, але зате стійко до температурних деформацій, оскільки усадка оболонки не призводить до навантаження або деформації світловода. А від фізичних впливів захист забезпечують зовнішні оболонки кабелю, які можуть налічувати багато шарів і посилюватися спеціальними армуючими елементами. Є навіть броньовані види оптичних кабелів, види, призначені для прямого закапування, а також самонесучі кабелі для повітряної прокладки та інші.