Исследование потерь в изогнутых оптических волокнах

Мир телекоммуникаций и передачи данных сталкивается с динамично растущим спросом на частотные ресурсы. Эта тенденция в основном связана с увеличением числа пользователей Internet и также с растущим взаимодействием международных операторов и увеличением объемов передаваемой информации. Полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается. Поэтому операторы связи при построении современных информационных сетей чаще всего используют волоконно-оптические кабельные системы. Это касается как построения протяженных телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно (ОВ) в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации ...

В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) чаще всего используются следующие стандарты волокон:
 многомодовое градиентное волокно 50/125 (рис. 1.6б);
 многомодовое градиентное волокно 62.5/125 (рис. 1.6б);
 одномодовое ступенчатое волокно 8-10/125 (рис. 1.6в);
 одномодовое волокно со смещенной дисперсией 8-10/125 (рис. 1.6г);
 одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Допустимый радиус изгиба нормируется для различных типов оптических волокон. Изгибы могут также специально создаваться для ввода и вывода излучения через боковую поверхность волокна. Такие изгибы могут использоваться в сварочных аппаратах для измерения вносимых потерь в соединениях волокон (система LID) и при организации служебной связи. Специально созданный изгиб может использоваться для несанкционированного доступа к передаваемой по волокну информации. Поэтому очень важно уметь производить расчеты коэффициента затухания изогнутого участка стандартного волокна и изгибных потерь, в целом.

+NZDSF
Окна прозрачности, нм
1350/1550
1500-1600
1550
1530-1565
Коэффициент затухания, дБ/км
1310
< 1.0 / < 0.34
< 1.0
не норм.
не норм.
1383
< 2.0
< 2.0
не норм.
не норм.
1550
< 0.22
< 0.22
< 0.22 / 0.15
< 0.22
Диаметр поля моды, мкм
1310
9.3 - 9.8
не норм.
не норм.
не норм.
1550
9.0 - 10.0
7.0 - 8.6
9.5 ‑ 10.5
9.0 - 10.0
Максимальная кабельная длина волны отсечки, нм
1260
1270
1530
1480
Длина волны нулевой дисперсии, нм
1310 ± 10
1550 ± 25
1280 ± 20
не норм.
Наклон нулевой дисперсии, пс/(нм2км)
0.093
0.085
0.095
< 0.169
В таблицах 1.2 и 1.3 присутствует параметр - кабельная длина волны отсечки. Это длина волны отсечки волокна, уложенного в кабель. Для волокна в кабеле длина волны отсечки меньше, чем для «прямого» волокна, то есть одномодовый режим передачи наступает раньше.
Типы одномодовых волокон отличаются друг от друга только формой профиля показателя преломления (рис. 1.10) и, соответственно, дисперсионными характеристиками.
Рис.1.10. Профили показателя преломления в одномодовых волокнах.
Основные типы одномодовых волокон, применяемых в линиях связи, нормируются международными стандартами ITU-T Rec. G. 652-G. 655:
• G.652: волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии и длиной волны отсечки в районе 1310 нм.
• G.653: волокна со смещенной дисперсией (DS волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1550 нм и длиной волны отсечки в районе 1310 нм.
• G.654: волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1310 нм и длиной волны отсечки в районе 1550 нм.
• G.655: волокна со смещенной ненулевой дисперсией (NZDS волокна), обладающие малой дисперсией (0.1-6 пс/нм.км) в диапазоне длин волн 1530-1565 нм.
• G.656: волокна с ненулевой дисперсией для систем грубого уплотнения по длинам волн (CWDM – Coarse Wavelength Division Multiplexing - большое расстояние между спектральными каналами – 20 нм).
Существует также несколько специальных типов одномодовых волокон применяемых в волоконно-оптических устройствах:
• Волокна для компенсации дисперсии (DC – Dispersion Compensating), применяемые в модулях компенсации дисперсии.
• Волокна с примесью редкоземельных элементов, применяемые в оптических усилителях, например, в EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier.
• Волокна, сохраняющие состояние поляризации излучения (РМ – Polarization Maintaining), применяемые в гироскопах, поляризационных делителях и смесителях.
• Дырчатые волокна (Holey Fiber), применяемые в компенсаторах дисперсии, в оптических шнурах, в нелинейных элементах.
Рис. 1.11. Профиль показатель преломления дырчатого волокна.
Помимо рассмотренных ОВ существуют также одномодовые ОВ со сглаженной дисперсией Cutoff Shifted Fiber (CSF). В этих волокнах исполь­зуется четырехслойная оболочка, что позволяет добиться почти плоской и близкой к нулевой дисперсионной характеристики (|Dх| = 1-6 пс/км/нм) в диапазоне длин волн от 1300 до 1650 нм. При этом они имеют сниженный коэффициент затухания благодаря чисто кварцевой сердцевине и увеличенного диаметра модового поля.
Волокна со сглаженной дисперсией используются только на длине волны 1550 нм для связи на большие расстояния без промежуточных линейных усилителей и регенераторов, преимущественно в подводных магистралях. Большой диаметр модового поля позволяет использовать большее усиление мощности без увеличения нелинейных искажений сигнала.
Глава 2. Параметры оптических волокон.
2.1. Дисперсия в оптических волокнах.
Информация по ОВ передается в виде коротких оптических импульсов. Энергия импульса распределяется между всеми направляемыми модами. Скорости всех мод вдоль их траектории в ступенчатом ОВ одинаковы. Однако время, которое им понадобится для прохождения 1 км ОВ, будет различным. На выходе ОВ импульсы отдельных мод, пришедшие в разное время, складываются, образуя более широкий, по сравнению с входным, оптический импульс (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Траектории меридиональных лучей в ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления.
Явление уширения импульса в многомодовом ОВ называется межмодовой дисперсией, которая характеризуется величиной Dm, измеряющейся в нс/км. Если величина дисперсии известна, то уширение импульса Δt в ОВ длиной L в первом приближении определится выражением:
. (2.1)
Верхняя оценка величины межмодовой дисперсии: наименьшую траекторию и наименьшее время распространения tmin имеет луч, распространяющийся вдоль оси ОВ.
(2.2)
Наибольшую траекторию и наибольшее время распространения tmax имеет луч, распространяющийся по ОВ, отражаясь от границы раздела сердцевины и оболочки под углом полного внутреннего отражения.
(2.3)
Тогда . (2.4)
Дисперсия ограничивает скорость передачи информации по ОВ.
Рис. 2.2. Зависимость межмодовой дисперсии от относительной разности показателей преломления сердцевины и оболочки.
С величиной межмодовой дисперсии [нс/км] связано понятие широкополосности волокна или удельной полосы пропускания B[МГц км]
(2.5)
Величина широкополосности для ступенчатых многомодовых кварцевых волокон ограничивается величиной 20-50 МГц км.
Для градиентных многомодовых волокон широкополосность лежит в пределах 200 – 2000 МГц км.
Радикальным способом уменьшения дисперсии является переход от многомодовой передачи к одномодовой.
Впервые одномодовый режим передачи в волокне со ступенчатым профилем показателя преломления был достигнут путем уменьшения радиуса сердцевины до 5 мкм. Такие волокна называют стандартными одномодовыми волокнами.
Важным нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр w или радиус rnм модового пятна (поля), который характеризует потери при вводе света в волокно и используются для расчетов вместо радиуса или диаметра сердцевины, его величина зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм (фактически он на 10-12% больше диаметра сердцевины).
Для одномодового ОВ распределение интенсивности поля моды можно аппроксимировать гауссовской кривой:
, (2.6)
Рис. 2.3. Определение диаметра модового поля.
На рис. 2.4. показаны рассчитанные по выражениям распределения модового поля для стандартного волокна на длинах волн, которые обычно используются для связи.
Рис. 2.4. Распределение модового поля основной моды в стандартном волокне.
Поскольку скорость распространения света в ОВ зависит от длины волны излучения λ, разные спектральные составляющие сигнала распространяются с разной скоростью.
Рис. 2.5. Спектр излучения источника.
Хроматическая дисперсия состоит из двух составляющих: материальной и волноводной:
(2.7)
Как физическая величина измеряется в пс / (нм·км) и означает уширение импульса в волокне длиной 1 км при ширине спектра сигнала 1 нм (с учетом скорости передачи и ширины спектра источника излучения).
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления кварца n (как фазового, так и группового) или скорости распространения света в кварце от длины волны (рис. 1.10) и пропорциональна второй производной показателя преломления по длине волны:
(2.8)
Рис. 2.6. Возникновение материальной дисперсии.
На рис. 2.7 показана зависимость материальной дисперсии от длины волны. Видно, что материальная дисперсия имеет знак и при длине волны нулевой материальной дисперсии λ = λ0mat проходит через 0.
Волноводная дисперсия Dв не связана со свойствами материала, но зависит от конструкции и размеров волновода. Ее появление связано с тем, что волна в одномодовом ОВ распространяется частично в сердцевине, частично в оболочке и показатель преломления для нее принимает среднее значение между показателями преломления сердцевины и оболочки. При изменении длины волны глубина проникновения поля в кварцевую оболочку меняется и, следовательно, меняется среднее значение показателя преломления.
Рис. 2.7. Хроматическая дисперсия в стандартном одномодовом
волокне.
Рис. 2.8. Возникновение волноводной дисперсии.
Волноводная дисперсия отрицательна и с увеличением λ она уменьшается. Это позволяет, изменяя размеры и конструкцию ОВ, управлять зависимостью Dв, а, следовательно, и зависимостью Dхр от λ.
Существует такая длина волны, при которой материальная и волноводная дисперсии равны по модулю и имеют противоположные знаки, то есть хроматическая дисперсия равна нулю. Эту длину волны называют длиной волны нулевой хроматической дисперсии или просто длиной волны нулевой дисперсии λ0D.
В большинстве одномодовых ОВ расположение осей наибольшей и наименьшей скорости является случайным и расширение проходящего по ОВ импульса растет с увеличением длины L пропорционально корню квадратному из длины ОВ:
, (2.9)
где Dp – поляризационно-модовая дисперсия.
Для большинства одномодовых ОВ величина поляризационно-модовой дисперсии лежит в пределах 0.02 – 0.2 пс/км0.5.
2.2. Затухание в оптическом волокне
По мере распространения света в оптической среде, он, как известно, ослабевает, что носит название затухание a, которое измеряется в децибелах или неперах. При оптических измерениях:
, (2.10)
где P0, P1 - мощности сигнала на входе и выходе ОВ, оптического кабеля (ОК) или любого компонента волоконного тракта (ВТ).
Общее или вносимое затухание ОВ можно разделить на собственное затухание и дополнительные потери.
Собственное затухание обусловлено самим ОВ. Для однородного ОВ можно рассчитать коэффициент затухания  - величину затухания на единицу длины:
, дБ/км (2.11)
где L - длина ОВ, км.
Собственные потери в ОВ в основном обусловлены двумя причинами: поглощением и рассеянием.
Рассеяние является фундаментальной (технологически неустранимой) причиной затухания в ОВ и носит название рэлеевское рассеяние. Его особенностью является сильная зависимость коэффициента рассеяния αs от длины волны λ проходящего излучения:
(2.12)
где χs - коэффициент пропорциональности (0.7-0.9 дБмкм4/км). Зависит от материала (вида и концентрации легирующих добавок и т.п.) и технологии изготовления ОВ.
Поглощение обусловлено потерями в основном материале ОВ - кварце и в примесях. Носит резонансный характер и дает для кварца пики затухания в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. В используемом диапазоне длин волн 0.8-1.6 мкм всплески поглощения у кварца отсутствуют. Наибольший вклад в поглощение вносят гидроксильные группы OH. Они дают мощный пик поглощения на длине волны 1.383 мкм.
К дополнительным потерям относятся потери на вводе и выводе излучения; потери, связанные с нарушениями геометрической формы ОВ и случайно расположенными структурными дефектами; изгибные потери (особенно на микроизгибах); потери в соединениях (стыках) строительных длин; потери, вызванные недостатками монтажа.
Затухание ограничивает максимальное расстояние, на которое можно передать сигнал без регенерации. Затухание ограничивает также минимальное расстояние, на которое можно передать сигнал без принятия дополнительных мер по снижению его уровня. Максимально допустимое затухание в линии определяется параметрами передающего и фотоприемного устройства.
Как видно из рис. 2.9, для передачи оптических сигналов может быть использован широкий участок спектра, где потери в волокнах достаточно малы. Его принято разбивать на более узкие участки – рабочие диапазоны, или окна прозрачности.
Рис. 2.9. Зависимость коэффициента затухания от длины волны и положение окон прозрачности в кварцевых ОВ.
Первое окно прозрачности из-за большой величины коэффициента затухания (2-2.5 дБ/км) используется в основном в локальных вычислительных сетях.
Второе окно прозрачности (О – Original, основной диапазон) используется преимущественно в городских и зоновых линиях.
Третье окно прозрачности (C – Conventional, стандартный диапазон) наиболее широко используется в магистральных линиях.
Четвертое (L – Long wavelength, длинноволновый диапазон) и пятое окно прозрачности (S – Short wavelength, коротковолновый диапазон) вместе с третьим используются в системах спектрального уплотнения.
2.3 Физические основы возникновения потерь в изогнутых оптических волокнах
При прокладке и монтаже оптического кабеля невозможно избежать изгибов ОВ. Радиус изгиба оптического кабеля при его стационарной прокладке существенно влияет на его эксплуатационные характеристики. Изгиб кабеля вызывает соответственно изгиб оптического волокна, которое при определенных условиях может негативно отреагировать на данное механическое воздействие, увеличив потери на прохождение сигнала, или, в крайнем случае, разрушится. Изгибные деформации во многом определяют срок службы оптических волокон.
Характерные места изгибов оптических кабелей во внешней сети телекоммуникационных станций показаны на рис. 2.10. Кроме спиралеобразного изгиба в самом кабеле, другие самые существенные изгибы волокон происходят в многочисленных местах сращивания или разветвления кабелей и в различных внутристанционных распределительных щитах. Технология, применяемая в точках разветвления и распределения, идентична технологии, применяемой в соединительных муфтах на самой трассе кабеля.
Рис. 2.10. Места изгибов оптических кабелей на внестанционных участках оптических сетей.
В указанных на рис. 2.10 местах изгиба волокно обычно прокладывается в соответствии со строгими предписаниями относительно минимального радиуса изгиба. Однако правильность укладки волокна зависит от умения исполнителя и тщательности выполнения операции. Из-за финансового давления с точки зрения снижения стоимости трудовых затрат иногда возникают случайные ошибки, в результате которых короткие длины волокон подвергаются изгибам со значительно меньшим радиусом, чем предусмотрено. Это особенно характерно для трудоемких участков абонентских линий, где требуются многочисленные изменения из-за перехода абонентов к другому оператору, миграции сети и ее реконструкции. Очень часто требуется выполнить разводку абонентских линий в местах с ограниченным пространством, например в сетях внутри зданий. Поэтому неудивительно, что в связи со все более широким применением одномодовых волокон в абонентских линиях вновь возникает проблема, связанная с макроизгибами волокон. При использовании оптических волокон, малочувствительных к изгибам, характеристики сети в меньшей степени подвержены влиянию таких дефектов и в то же время выявляются другие преимущества монтажа линий – уменьшение габаритов устройств демонтажа ОВ (муфты, шкафы, монтажные платы и пр.).
Доминирующими внешними параметрами, чувствительными к наличию макроизгибов, являются длина волны и радиус изгиба, как показано на рис. 2.11, на котором представлена зависимость затухания стандартного одномодового волокна, соответствующего рекомендации G.652 ITU-Т, от длины волны и радиуса изгиба. Здесь отчетливо видно, что при больших длинах волн, когда оптический сигнал в меньшей степени зависит от сердечника одномодового волокна, потери на изгиб значительно возрастают. Они еще больше увеличиваются, если радиус изгиба уменьшается, как это показано на рис.2.11 справа.
Рис. 2.11. Зависимость потерь, связанных с макроизгибом.
В принципе это верно, так как уменьшение радиуса изгиба приводит к появлению дополнительных напряжений в наружной части волокна и силы сжатия на внутренней части волокна. Однако это дополнительное напряжение обычно достаточно мало по сравнению с 1%-ным удлинением, которому волокно подвергается в процессе производства. Кроме того, длина изогнутого волокна на трассе невелика.
Таким образом, правильно спроектированные и проложенные сети, магистральные или абонентские линии, явно не страдают от эффектов макроизгибов. Этому способствует и заметное распространение оптических волокон, менее чувствительных к изгибам.
Следующий вопрос – возникающие в результате изгибов изменения характеристик волокна, выявление этих изменений и, желательно, их предотвращение. Поскольку изгибы обычно вызывают дополнительные потери, то этот эффект будет обнаружен только при вводе кабельной трассы в эксплуатацию после прокладки или заполнения конфигурации линии связи. Если не принимать в расчет возможность изгибов с малым радиусом в самом кабеле, то изгиб, не соответствующий требованиям спецификации, всегда будет результатом соединения волокон при сращивании.
При прокладке кабеля обычной практикой является сращивание различных длин кабеля. Индивидуальный контроль мест сращивания проводится локально после выполнения операции сращивания. Общие потери проверяются при приемке всей трассы, когда каждая оптическая волоконная линия испытывается с помощью оптического рефлектометра. Если обнаруживается дефектное место сращивания, корпус соединительной муфты должен быть вскрыт и сращивание должно быть выполнено заново. Повторный демонтаж одной-двух соединительных муфт на канал связи – обычное дело при приемке на протяженных междугородных линиях связи и городских сетях. Количество обнаруженных дефектов также зависит от числа волокон в кабеле. Для кабеля со 192 волокнами вероятность одного дефекта на соединительную муфту намного выше, чем для простого кабеля, состоящего из 6 волокон. Процесс повторного монтажа соединительной муфты достаточно обременительный и дорогостоящий, так как необходимо дополнительное время для того, чтобы команда испытателей и монтажников выкопала, демонтировала корпус соединительного устройства и выполнила повторный монтаж. Особое значение при этом имеет испытательная длина волны. Потери на сращивание сами по себе вряд ли зависят от длины волны, в отличие от потерь, вызванных изгибами в месте хранения волокна при прокладке. Т.к. при помощи обычного оптического рефлектометра нельзя различить потери, возникающие из-за сращивания, петель, образующихся в месте хранения при прокладке или случайных изгибах с малым радиусом, то неудивительно, что расширенная проверка характеристик места сращивания при длине волны 1625 нм на действующих кабелях, прошедших приемосдаточные испытания при 1550 нм, выявила большое количество очень высоких потерь на сращивание при 1625 нм.
Анализ показал, что эти дефекты были вызваны как постоянной кривизной чувствительных к изгибам волокон в зоне места хранения, так и случайными изгибами из-за неквалифицированного обращения с оптическими волокнами.
Для случайных изгибов можно определить два предельных значения: предельный срок службы и предельное значение потерь. Что касается срока службы, то радиус единичного изгиба может быть очень малым, и это не повлияет на срок службы. Доминирующее значение имеет предельная величина потерь, установленная требованиями к потерям на сращивание. Потери вследствие случайных изгибов ниже или сравнимы с потерями на сращивание. Это означает, что можно избежать отбраковки волокна при приемосдаточных испытаниях. Величина этого минимального радиуса определяется в зависимости от чувствительности волокна к изгибам.
В главе 1 было описано, что при распространении света в оптических волокнах используется принцип полного внутреннего отражения лучей от границы раздела сердцевина/оболочка. Принцип соблюдается, если угол падения луча достаточно велик, т.е. свет падает полого к плоскости отражения (рис. 1.3). При изгибе волокна с каким-то малым радиусом нарушается угловое условие, и часть излучения уходит в оболочку, где потом и высвечивается.
С точки зрения электродинамики этот процесс можно объяснить по-другому. Поле распространяемого излучения, концентрируясь в сердцевине, частично выходит в оболочку (поэтому диаметр модового поля всегда немного больше диаметра сердцевины), затухая по экспоненциальному закону.
Потери при изгибании волокна возникают по двум причинам. Во-первых, потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна и при переходе от изгиба к прямому волокну. Они обусловлены тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некоторую величину d, зависящую от радиуса изгиба волокна (рис. 2.12.а). В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными также на величину d (рис. 2.12.б). Поэтому только часть мощности моды прямого волокна (диаметром w) передается моде изогнутого волокна, а остальная мощность преобразуется в моды оболочки и в конечном счете теряется.
Рис. 2.12. Возникновение потерь.