Физические параметры оптических волокон

Все распространенные типы волокон характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий. Затухание характеризует потерю мощности передаваемого сигнала на заданном расстоянии, и измеряется в дБ/км, где Децибел - логарифмическое выражение отношения мощности, выходящей из источника Р1, к мощности, входящей в приемник Р2, дБ=10*log(P1/P2). Потери в 3 дБ означают, что половина мощности потеряна. Потеря 10 дБ означает, что только 1/10 мощности источника доходит до приемника, потери 90%. Волоконно-оптические линии, как правило. способны нормально функционировать при потерях в 30 дБ (прием всего 1/1000 мощности).

Есть два принципиально различных физических механизма, вызывающих данный эффект.

Потери на поглощение. Связаны с преобразованием одного вида энергии в другой. Электромагнитная волна определенной длины вызывает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, что, в свою очередь, ведет к нагреву волокна. Естественно, что процесс поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина, и чем чище материал волокна.

Потери на рассеяние. Причина снижения мощности сигнала в этом случае - означает выход части светового потока из волновода. Обусловлено это неоднородностями показателя преломления материалов. И с уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают.

0,8 0,3 1,0 1,1 1,2

1,3 1,4 1,5 1,5 мкм Длина волны

Рис. 3. Окна прозрачности оптических волокон.

В теории, лучших показателей общего затухания можно достичь на пересечении кривых поглощения и рассеивания. Реальность несколько сложнее, и связана с химическим составом среды. В кварцевых волокнах (SiO2) кремний и кислород проявляют активность на определенной длине волны, и существенно ухудшают прозрачность материала в двух окрестностях.

В итоге образуются три окна прозрачности (рис. 4), в рамках которых затухание имеет наименьшее значение. Самые распространенные значения длины волны: 0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм.

Именно под такие диапазоны разработаны специальные гетеролазеры, на которых основываются современные ВОЛС (волоконно-оптические системы связи).

Оптический бюджет

Каждый компонент оптоволоконной линии имеет свою величину оптических потерь. Допустимые потери оптического сигнала на всём пути от передатчика до приемника часто называют оптическим бюджетом. Рассчитывается он на основании информации, предоставленной производителем оборудования.

Упрощенно расчет оптического бюджета можно представить в виде следующей схемы (рис. 4).

Уровень оптической мощности, дБ

-10 -

-20 -

-30 --40

Мощность источника сигнала

Коннекторы (сплайсы, места сварки)

Опт11ческт1 кросс (patch pfnel) пара Кабель

Чувствительность приемника

О 500

Длина кабеля, м

1000

Избыток

1500

Рис. 4. Оптический бюджет.

Оптические потери складываются из потерь, происходящих в каждом элементе между передатчиком и приемником (затухание в волокне, потери на стыковке с источником, сращивание волокон, потери на коннекторах).

Потери на инжектирование возникают при вводе излучения от источника в волокно и зависят в основном от диаметра сердечника. Потери на сплайсах, местах сварки при их наличии в линии должны быть включены подобно потерям на коннекторах.

Так же рекомендуется учитывать, что мощность лазера (светодиода) несколько уменьшается с течением времени. Обычно на ремонт и старение эмиттера отводится от 3 до 6 дБ.

Когда эти потери в суммарном виде превосходят оптический бюджет , передача сигнала становится невозможной. При расчете системы лучше всего апеллировать к наихудшим значениям. В данном случае под системой мы понимаем передатчик (с его выходной мощностью излучения), приемник (с его параметром чувствительность ; их разница, более понятна для понимания, и есть оптический бюджет ), и все пассивные компоненты между ними.

(C примером калькулятора расчета оптических потерь Вы можете ознакомиться в Cети: http: www.smartfiber.ru/calculator.htm)

Дисперсия

Важным параметром оптического волокна является дисперсия. Он означает рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Cуществуют три типа дисперсии: межмодовая, материальная и межчастотная.

Mежмодовая дисперсия обусловлена неидеальностью современных источников света, которые испускают волны в нескольких направлениях, и далее они проходят по разным траекториям (иначе говоря - будут иметь разные моды). Как следствие, лучи достигнут приемника в разные моменты времени.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Если распределение плотности волокна будет неравномерным, то волны, проходящие путь по разным траекториям, будут иметь разные скорости распространения. И, соответственно, попадать в приемник в разное время.

Межчастотная дисперсия. Источники излучения не идеальны и испускают волны различной длины. В кварцевом стекле более короткие волны распространяются быстрее и достигают конца световода в разные моменты времени.

Все виды дисперсии отрицательно влияют на пропускную способность оптоволоконного канала. Так как в настоящее время используются только цифровые способы передачи информации, то световой сигнал поступает с передатчика импульсами. И чем сильнее размыт по времени импульс на выходе (эффект дисперсии), тем сложнее его правильный прием. Иначе говоря, дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

При оценке пользуются термином полоса пропускания , который понимается как величина, обратная к уширению импульса при его прохождении по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц/км.

Потери, вызванные затуханием и дисперсией, равномерно распределяются по всей длине кабеля

Одномодовые и многомодовые оптические волокна

Несмотря на огромное разнообразие оптоволоконных кабелей, волокна в них практически одинаковы. По типу конструкции (по размеру серцевины) оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ) (рис. 5).

Вариант 1

Дисперсия

Многомодовое волокно со стуланчатым коэффициентом

Дисперсия

Вариант 2

Л

Плотность материала

Многомодовое волокно с грвдие

Плотность материала

Л

Одномодовое волокно

Рис. 5. Одномодовые и многомодовые оптические волокна.

У многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). И так как разные моды имеют разную длину, то сигнал на приемнике будет заметно размазан по времени. Из-за этого тип ступенчатых волокон (вариант 1), с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.

Градиентное волокно (вариант 2), имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рисунке хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.

В результате более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров, можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Cоответс-твенно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна с постоянной плотностью сердечника.

Однако, как бы не были сбалансированы градиентные многомодовые волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании волокон, имеющих достаточно малый диаметр сердечника. В которых, при соответствующей длине волны, будет распространяться один единственный луч.

Реально распространено волокно с диаметром сердечника 8 микрон, что достаточно близко к обычно используемой длине волны 1,3 мкм. Mежчастотная дисперсия при неидеальном источнике излучения остается, но ее влияние на передачу сигнала в сотни раз меньше, чем межмодовой или материальной. Cоответственно, и пропускная способность одномодового кабеля намного больше, чем многомодового.

Разновидности оптоволоконных кабелей

По назначению, волоконно-оптические кабеля (ВОК) можно разделить на: монтажные (соединительные). Используются для механической коммутации и подключения аппаратуры;

объектовые. Используются для высокоскоростных соединений внутри строений. Как правило, в них используются покрытие, слабо распространяющее горение, выделяющих малое количество дыма, и не содержащее галогенов (LSF/OH - low smoke and fume zero halogen);

городские, зоновые. Cоединяют здания, районы, города области. Обычно сети, построенные с их использованием, имеют протяженность от 1-2 до 100 км.

магистральные. Предназначены для передачи информационных потоков на большие расстояния. Для этого используются кабеля с очень качественными оптическими волокнами.

По месту прокладки:

по подземным коммуникациям телефонных и других служб; предназначенные для прокладки в грунте. Усиленная броня, защита от грызунов. подвесные (на столбах освещения, трубостойках, контактных опорах железных дорог, опорах ЛЭП, и т.п.). Длина пролета может доходить до 450м. подводные.

Типовые характеристики современных кабелей для внешней прокладки:

внешний диаметр - 10-20 мм;

температурный диапазон монтажа - от -10°C до +50°C; температурный диапазон эксплуатации - от -40°C до +60°C; минимальный радиус изгиба при прокладке - 15 внешних диаметров; минимальный радиус изгиба при эксплуатации - 20 внешних диаметров; максимально допустимое усилие на растяжение - 2500-10000 Н; максимально допустимое усилие на сдавливание - 2000-4000 Н;

Соединение оптических волокон. Разъемы

При монтаже линий ВОЛС их необходимо соединять. Именно сложность этого процесса для световодов из кварцевого стекла является основным сдерживающим фактором оптоволоконной технологии.

Непрофессионалам доступно только соединение кабелей, не имеющих особых требований по качеству. Серьезные работы по монтажу требуют наличия дорогостоящего оборудования и высоко квалифицированного персонала.

Для создания междомовой разводки последней мили особых сложностей уже не возникает. Работы доступны специалистам без серьезной подготовки (или вообще без нее).

Существуют несколько видов соединений. Нужно принципиально разделить сростки (неразъемные соединения), и оптические разъемы.

На небольших расстояниях (до нескольких километров) сростки не желательны и их следует избегать. Основной на сегодня способ их создания - сварка электрическим разрядом (рис.6).

§

а

с, (О

Место сварки

Оптическое волокно

Рис. 6. Принцип сварки оптического волокна.

Такое соединение надежно, долговечно и вносит очень малое затухание в оптический тракт. Но для сварки нужно дорогостоящее оборудование и сравнительно высокая квалификация оператора. Это вызвано необходимостью высокоточного совмещения концов волокон перед сваркой, и соблюдения стабильных параметров электрической дуги. Кроме этого, нужно обеспечить ровные (и перпендикулярные оси волокна) торцы (сколы) свариваемых волокон, что само по себе является достаточно сложно. Поэтому, выполнение таких работ от случая к случаю своими силами не рационально, и проще пользоваться услугами специалистов. Так же подобный способ часто используется для оконечивания кабелей путем сварки волокон кабеля с небольшими отрезками гибких кабелей с уже установленными разъемами (pig tаil). Но с распространением клеевых соединений, сварка применяется все реже.

Второй способ создания неразъемных соединений - механический или с использованием специальных соединителей (сплайсов). Первоначальное назначение этой технологии - быстрое временное соединение, используемое для восстановления работоспособности линии в случае разрыва. Волокна закрепляются в механическом кондукторе, и специальными винтами сближаются друг c другом. Для хорошего оптического контакта в месте стыка используется специальный гель с похожими на кварцевое стекло оптическими свойствами. Но этот способ не получил широкого распространения и достаточно редко применяется.

Разъемные соединения. Если предел дальности действия высокоскоростных электропроводных линий на основе витой пары зависит от разъемов, то в оптоволоконных системах вносимые ими дополнительные потери достаточно малы. 3атухание в них оставляет около 0,2 - 0,3 дБ. Поэтому возможно создавать линии передачи без использования активного оборудования, коммутируя волокна на обычных разъемах. Особенно заметны преимущества такого подхода на небольших по протяженности, но разветвленных линиях.

Основные функции разъемов заключаются в фиксации волокна в центрирующей системе (соединителе) и защите волокна от механических и климатических воздействий. Основные требования к разъемам:

внесение минимального затухания и обратного отражения сигнала;

минимальные габариты и масса при высокой прочности;

долговременная работа без ухудшения параметров;

простота установки на кабель (волокно);

простота подключения и отключения. Известно несколько десятков типов разъемов. Основная идея всех вариантов конструкций - точно совместить оси волокон, и плотно прижать их торцы друг к другу (создать контакт) (рис. 7).

Наконечник (2.5 мм)

Сердечник (50 мкм)

Оптическое

волокно со снятым Оптическое

буфером волокно

в буфере

Хвостовик ЗТ-ра1ъем

Рис. 7. Принцип действия

Соединитель

разъема

Основная масса разъемов выпускается по симметричной схеме, когда для соединения разъемов используется специальный элемент - coupler (соединитель). Сначала волокно закрепляется и центрируется в наконечнике разъема, а затем уже сами наконечники центрируются в соединителе.

Таким образом на сигнал влияют следующие факторы: внутренние потери, вызванные допусками на геометрические размеры световодов. Это эксцентриситет и эллиптичность сердцевины, разность диаметров (особенно при соединении волокон разного типа);

внешние потери, которые зависят от качества изготовления разъемов. Возникают из-за радиального, углового смещения наконечников, непараллельности торцевых поверхностей волокон, воздушного промежутка между ними (френелевские потери);

обратное отражение. Возникает из-за наличия воздушного промежутка (френелевское отражение светового потока в обратном направлении на границе стекло-воздух-стекло). Согласно стандарта TIA/EIA-568A, нормируется коэффициент обратного отражения (отношение мощности отраженного светового потока к мощности падающего). Он должен быть не хуже -26 дБ для одномодовых разъемов, и не хуже -20 дБ для многомодовых;

загрязнение, которое, в свою очередь, может вызвать как внешние потери, так и обратное отражение.

Самое широкое распространение получили разъемы ST и SC, весьма похожие по своим параметрам (затухание 0,2 - 0,3 дБ) (рис. 8).

Рис. 8. ST и SC разъемы оптических волокон.

ST( straight tip connector) (прямой разъем) или, неофициально Stick-and-Twist (вставь и поверни). Конструкция основана на керамическом наконечнике (феруле) диаметром 2,5 мм с выпуклой торцевой поверхностью. Фиксация вилки на гнезде выполняется подпружиненным байонетным элементом (подобно разъемам BNC, использующимся для коаксиального кабеля).

Разъемы ST - самый дешевый и распространенный тип. Он немного лучше, чем SC, приспособлен к тяжелым условиям эксплуатации благодаря простой и прочной металлической конструкции (допускает больше возможностей для применения грубой физической силы).

Основные недостатки: сложность маркировки, трудоемкость подключения, и невозможность создания дуплексной вилки.

SC (subscriber connector) (абонентский разъем), или, неофициально Stick-and-Click (вставь и защелкни). В основе такой же, как в ST, керамический наконечник диаметром 2,5 мм. Но основное отличие - легкий пластмассовый корпус, хорошо защищающий наконечник, и обеспечивающий плавное подключение и отключение одним линейным движением.Такая конструкция позволяет достичь большой плотности монтажа, и легко адаптируется к удобным сдвоенным разъемам.

Дополнительно нужно отметить еще два типа разъемов:

FC - очень похож на ST, но с резьбовой фиксацией.

LC - новый миниатюрный разъем, конструктивно идентичный SC.

о о О о © Q Й о ® о

О О Й О

*; t , t ; г; j; i; з- 5; i;

, ST&T

# *A

Передача видео, аудио, RS232/485/422, 10/100М

SF10S2T-N SF10S2R-N SF10M2T-N SF10M2R-N

SYNC-I DATA OPTICAL INTERFACE

PWR VIDEO

Комплект устройств обеспечивает передачу одного видеосигнала с использованием 10-битового цифрового кодирования высокого качества по одномодовому оптическому волокну стандарта 9/ 125 мкм или многомодовому оптическому волокну стандарта 50/ 125 или 62,5/ 125 мкм.

Особенности:

- 1 видеоканал (10-битовое цифровое кодирование);

- полоса пропускания: 5 Гц10 МГц;

- рабочая температура: -40... +70 °С;

- устройства совместимы с любыми камерами CCTV систем NTSC, PAL или SECAM;

- поддержка Plug-and-play ;

- возможность горячей замены модуля;

- не требует дополнительных настроек;

- светодиодная индикация для контроля над работой устройств;

- встроенная грозозащита;

- комплект состоит из передатчика (SF10S2T-N/SF10M2T-N), приемника (SF10S2R-N/ SF10M2R-N) и 2-х блоков питания (5В пост. тока, 2А);

- гарантия 3 года.

Схема подключения

Видео

50/125 или 62.5/125 мкм

9/125 мкм

1 оптоволокно {одномодовое или многомодовое)

Видео

Технические характеристики

Условия эксплуатации

Питание

SF10S2T-N SF10M2T-N SF10S2R-N SF10M2R-N

5 В пост. тока; 1000 мА 5 В пост. тока; 1000 мА 5 В пост. тока; 1000 мА 5 В пост. тока; 1000 мА

SF10S2R-N SF10M2R-N

137.0x66.0x30.4 (мм) 137.0x66.0x30.4 (мм)

Информация для заказа Ц

; Длина волнам Mодель передатчика

Волокно

Mодель приемника ; Бюджет

Mакс. расстояние передачи

многомодовое 62,5/ 125 мкм

1310нм 1310 нм

SF10M2T-N SF10S2T-N

SF10M2R-N I 15дБ SF10S2R-N 1 15дБ

2 км 20 км

одномодовое 9/ 125 мкм