Основные элементы ПОМ
Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель (housing), который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика; источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном. Иногда требуются дополнительные внутренние элементы для оптимального подсоединения волокна. Важным элементом лазерных диодов является цепь тока накачки, и система контроля температуры. Для сложных лазерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала. Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показана на рис. 8.
Рис. 8. Составляющие элементы передающего оптоэлектронного модуля
Волоконные световоды
Основным элементом ОК является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптическими характеристиками (показателями преломления ). Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки: создание лучших условий отражения на границе “сердцевина—оболочка” и защита от излучения энергии в окружающее пространство. Снаружи располагается защитное покрытие для предохранения волокна от механических воздействий и нанесения расцветки.Сердцевина и оболочка изготовляются из кварца , покрытие — из эпоксиакрилата, фторопласта, нейлона, лака и других полимеров.
Оптические волокна классифицируются на одномодовые и многомодовые. Последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна имеют тонкую сердцевину (6…8 мкм), и по ним передается одна волна; по многомодовым (сердцевина 50 мкм) распространяется большое число волн. Наилучшими параметрами по пропускной способности и дальности обладают одномодовые волокна. У ступенчатых световодов показатель преломления в сердечнике постоянен, имеется резкий переход от сердцевины к оболочки и лучи зигзагообразно отражаются от границы “сердечник—оболочка”. Градиентные световоды имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии, и лучи распространяются по волнообразным траекториям. Показатель преломления сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной функции
,
где — максимальное значение показателя преломления на оси волокна, т. е. при r=0; и— показатель степени, описывающей профиль изменения показателя преломления:
Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем. В этом случае и=2 и соответственно:
Если принять , то получим известное значение п ступенчатого световода
.
Дисперсия и пропускная способность
Параметр (пропускная способность) является наряду с затуханием к важнейшим параметром ВОСП. Он определяет полосу частот, пропускаемую световодом, и соответственно объем информации, который можно передать по ОК..
В предельном идеализированном варианте по ВС возможна организация огромного числа каналов на большие расстояния, но фактически имеются значительные ограничения. Это обусловлено тем, что сигнал на вход приемного устройства приходит размытым, искаженным, причем чем длиннее линия, тем больше искажается передаваемый сигнал.
Данное явление носит название дисперсии и обусловлено различием времени распространения различных мод в световоде и наличием частотной зависимости показателя преломления.
Дисперсия—это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению длительности импульса при прохождении по ОК. Уширение импульса т определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе формуле
,
причем значения и берутся на уровне половины амплитуды импульсов.
Связь между величиной уширения импульсов и полосой частот, передаваемых по ВС, приближенно выражается соотношением
.
Так, если =20 нс/км, то .
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон использования световодов, но и существенно снижает дальность передачи по ОК, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса.
Пропускная способность ОК существенно зависит от типа ВС (одномодовые, многомодовые, градиентные), а также от типа излучателя (лазер, светодиод).
Причинами возникновения дисперсии являются :
некогерентность источников излучения и появление спектра;
существование большого количества мод (N).
В первом случае дисперсия называется хроматической (частотной). Она делится на материальную и волноводную (внутримодовую дисперсию). Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны . Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны .
Во втором случае дисперсия называется кодовой и обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно .
В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи идут под разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна и, следовательно, поступают на вход приемника с различной задержкой.
Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой , материальной и волноводной дисперсий
С учетом реального соотношения вкладов отдельных видов дисперсий имеем для многомодовых волокон уширение импульсов , а для одномодовых волокон .
Величина уширения импульса в многомодовых волокнах за счет модовой дисперсии, которая характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода в сечение световода на расстоянии I от начала, может быть рассчитана для ступенчатого и градиентного световода соответственно по формулам
и ,
где — показатель преломления сердцевины; — показатель преломления оболочки; l — длина линии; c— скорость света;
— длина связи мод, при которой наступает установившийся режим (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км градиентного волокон);
.
Соответственно пропускная способность градиентного световода в 2/ раз меньше, чем ступенчатого, при одинаковых значениях . Учитывая, что, как правило, , различие пропускной способности указанных световодов может достигать двух порядков.
Уширения импульса в одномодовых волокнах могут быть определены по формулам
;
,
где — относительная ширина спектра излучения; l —длина линии; с — скорость света; — длина волны; — показатель преломления.
Для расчета можно воспользоваться также упрощенными формулами
и
где — ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,1...4 Нм для лазера и 15...80 Нм для световода; l— длина линии; и — удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно.
Удельные дисперсии выражаются в пикосекундах на километр (длины световода) и нанометр (ширины спектра). Зависимости материальной и волноводной дисперсий для кварцевого стекла приведены на (рис.21).
Как видно из рисунка, с увеличением длины волны уменьшается и проходит через нуль, а несколько растет. Вблизи мкм происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия приближается к нулевому значению. Поэтому длина волны 1,3 мкм получает широкое применение в одномодовых системах передачи. Однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм, и для достижения минимума дисперсии в этом случае приходится варьировать профилем показателя преломления и диаметром сердцевины. При сложном профиле типа W и трехслойном световоде можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.
В табл. 4 приведены дисперсионные свойства различных типов ВС.
Таблица 4
|
Вид дисперсии |
Величина дисперсии световода |
||
|
многомодового |
одномодового |
||
|
ступенчатого |
градиентного |
||
|
Волноводная |
Малое значение |
Взаимная компенсация |
|
|
Материальная |
2...5 нс/км |
0,1...0,3 нс/км |
Малые значения |
|
Межмодовая |
30...50 нс/км |
2...4 нс/км |
— |
|
Полоса частот |
Десятки мегагерц |
Сотни мегагерц |
Тысячи мегагерц |
Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими обладают одномодовые световоды. Хорошие характеристики также у градиентных световодов с плавным изменением показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов.
Рассмотрим пропускную способность ОК. В электрических кабелях с медными проводниками (симметричных и коаксиальных) полоса пропускания и дальность связи в основном лимитируются затуханием и помехозащищенностью цепей. Оптические кабели принципиально не подвержены электромагнитным воздействиям и обладают высокой помехозащищенностью, поэтому параметр помехозащищенности не является ограничивающим фактором. В ОК полоса пропускания и дальность связи лимитируются затуханием и дисперсией.
Затухание ОК растет по закону . В широкой полосе частот оно весьма стабильное и лишь на очень высоких частотах возрастает за счет дисперсии. Поэтому дисперсия и определяет ширину полосы пропускания частот. Из рисунка видно, что полоса пропускания одномодовых световодов существенно больше, чем ступенчатых и градиентных.
Рис. 9. Зависимость дисперсии () и пропускной способности () ОК от длины линии
На рис.9 показан характер зависимостей дисперсии () и пропускной способности () оптических кабелей от длины линии. Дисперсия приводит как к ограничению пропускной способности ОК, так и к снижению дальности передачи по ним (l). Полоса частот и дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулами:
