Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности

5.1.основные понятия и термины

Оптическое волокно - это диэлектрическая структура, по которой распространяется оптический сигнал. Типичные волокна имеют сердцевину (световедущую жилу), отражающую оболочку, и специальное покрытие, которое защищает сердцевину и оболочку от влаги и внешних воздействий . И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла.



Рис.5.1.Структура оптоволоконного кабеля: 1 –cердцевина с показателем преломления n₁;
2 - отражающая оболочка с показателем преломления n₂, n1 > n₂;.3 – защитное покрытие.

Многомодовые волокна (Multimode Fiber) обычно имеют сердцевину диаметром 50 или 62,5 мкм, отражающую оболочку диаметром 125 мкм и используются для систем передачи видеоинформации на расстояния в несколько км. В качестве источников излучения в таких системах используются светодиоды, излучающие на длине волны 850 и 1300 нм с шириной спектра излучения 40-80 нм. Лучи, входящие в многомодовое волокно под разными углами, распространяются по разным путям и называются модами (см. рис.5. :



Рис.5. Распространение многомодового излучения в оптоволокне

Моды удерживаются внутри сердцевины и распространяются по зигзагообразной траектории вдоль оси волокна вследствие эффекта полного внутреннего отражения при условии:



Числовой апертурой N называется синус наибольшего угла α, входя под которым, моды (лучи) ещё удерживаются в сердцевине:



По соображениям технологического и прикладного порядка n₁ и n₂ не сильно различаются между собой, так что



Тогда



Числовая апертура для волокон, применяемых в системах передачи видеосигналов, лежит в пределах 0,1...0,2, что соответствует углам α~ 5,7 ...11,5 c˚

Дисперсия импульса - это уширение длительности импульса света по мере его распространения по волокну. Она определяет ширину полосы частот и скорость передачи данных в оптоволоконной линии связи. Это явление может возникнуть вследствие нескольких причин:

Разные моды (лучи) затрачивают различное время на прохождение одного и того же отрезка волокна. Очевидно, что луч, направленный параллельно оси световода проходит меньшее расстояние, чем луч, распространяющийся по ломаной траектории. Как следствие, лучи достигнут конца сердечника в разные моменты времени. Это явление называется межмодовой дисперсией (рис.5. и выражается максимальной разностью времен распространения мод.



Рис.5.3.Межмодовая дисперсия

Показатель преломления n₁ материала сердцевины зависит от длины волны

n₁=D(λ)

Кроме того, в применяемых в настоящее время световодах распределение показателя преломления по сечению волокна неравномерно. Кроме того, все используемые на практике оптические источники имеют ненулевую ширину спектра. Вследствие этого волны, проходящие путь по разным траекториям обладают разными скоростями и временами распространения и оказываются в приемнике в разное время. Это явление называется хроматической дисперсией (рис.5. , которая в свою очередь делится на материальную (обусловленную свойствами световода) и межчастотную (обусловленную свойствами источника света).



Рис.5. Межчастотная дисперсия

Для источника излучения с шириной спектра Δλ и волокна с дисперсией материала сердцевины D(λ) разница времен распространения по отрезку волокна длиной L определяется соотношением:

Δπ₂=L D(λ)Δλ

Общая дисперсия импульса определяется суммарным действием межмодовой и хроматической дисперсии и измеряется в пс/км и показывает, насколько увеличилась первоначальная длительность импульса π_o после прохождения по волокну расстояния в один километр.

Как хроматическая, так и межмодовая дисперсия отрицательно влияет на пропускную способность оптоволоконного канала связи. Чем сильнее размыт по времени импульс на выходе, тем меньше полоса пропускания волоконно-оптической линии связи. Полоса пропускания характеризуется соотношением: частота/расстояние (МГц/км) и линейно зависит от длины кабеля. Так, многомодовый оптоволоконный кабель с характеристикой 100 МГц/км при длине 100 метров будет иметь полосу пропускания 1 ГГц. Для оптоволоконных линий с одномодовым волокном, где межмодовая дисперсия отсутствует, строгой линейной зависимости полосы пропускания от длины линии нет. Поэтому в спецификациях на одномодовое волокно часто указывается его дисперсия в пс/км/нм (отнесенная к определенной длине волны), а полоса пропускания измеряется в абсолютных величинах. Величина дисперсии для одномодового волокна лежит в пределах 1 – 6 пс/км/нм, что обеспечивает полосу пропускания до 30 ТГц, но вследствие ограничений по частоте, вносимых активными компонентами, на практике она ограничена 3 ТГц. Зависимость дисперсии от длины волны показана на рис.5.



Рис.5. Зависимость дисперсии от длины волны

Из рисунка видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутся быстрее коротких. Для длин волн >1300нм имеет место обратная ситуация – более длинные волны движутся медленнее коротких.

Ступенчатое и градиентное многомодовые волокна различаются профилем показателя преломления . Волокно со ступенчатым распределением профиля показателя преломления – исторически первый тип оптического кабеля (рис.5. .


Рис.5. Распространение света в многомодовом оптическом волокне
со ступенчатым распределением профиля показателя преломления

Основным недостатком такого волокна является наличие межмодовой дисперсии. В связи с этим полоса пропускания ступенчатого волокна не превышает 10 МГц/км, что делает невозможным передачу видеосигнала на большие расстояния. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления (рис.5. .

В таком волокне значение показателя преломления сердцевины плавно изменяется от центра к краям, по закону


где π_o = (n₁-n₂)/n₁; a - радиус сердцевины оптоволокна. Благодаря этому, моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей (межмодовая дисперсия) существенно меньше, чем в многомодовом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления. За счет этого полоса пропускания градиентного волокна возрастает до 600 МГц/км. Однако полностью устранить межмодовую дисперсию в многомодовом волокне не удается, что объясняется как несовершенством профиля показателя преломления, так и наличием спиральных мод, возникающих вследствие осевой симметрии оптоволокна. Областью применения многомодового градиентного волокна являются в основном внутриобъектовые сети с дальностью передачи видеоинформации до 10 км.



Рис.5.7.Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломленияЧисло мод в многомодовом волокне определяется через нормализованную частоту или V-параметр волокна:V = π d n₁ λ^-1 (2Δ)^1/2

где π = 3,14 ; λ - длина волны излучения; d - диаметр сердцевины

Для ступенчатого волокна число мод определяется выражением


, для градиентного с параболическим профилем показателя преломления оно вдвое меньше:



Для типичного многомодового волокна V=50, что соответствует 1250 модам в ступенчатом волокне и 625 в градиентном.

Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи видеосигнала привела к необходимости применения одномодового оптического волокна, т. е. волокна, оптические параметры которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода (рис.5.8.). Явление межмодовой дисперсии в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается материальной дисперсией. Одномодовые волокна (Single Mode Fiber) имеют сердцевину диаметром 8.5 - 10 мкм и используются в системах передачи видеосигналов на большие расстояния. В них используются лазерные источники излучения с длинами волн 1300 и 1550 нм при ширине спектра несколько нм.



Рис. 5. Структура одномодового оптического волокна

Нормализованная частота (V-параметр) для одномодового волокна V<2,404 Это условие можно использовать при выборе значения d для получения одномодовых волокон, рассчитанных на определённую длину волны λ. Целесообразно работать с одномодовыми волокнами при V=2,4048, что позволяет иметь максимальный диаметр сердцевины d. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Таким образом, при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной длины волны. Однако, при случайных флуктуациях d одномодовый режим может нарушаться. Чтобы этого избежать, используют волокно с W-образным профилем показателя преломления (см. рис.5. , так что n₁ > n₂ > n₃:


Рис.5.9.Структура оптоволокна с W-образным профилем.

Длина волны отсечки λ _c определяется соотношением:



для данного волокна, имеющего определённые d, n₁ и Δ. Для любой длины волны λ> λ _c волокно всегда будет одномодовым. Для λ < λ _c волокно становится многомодовым.

Оптический сигнал, распространяясь по волоконно-оптической линии, испытывает потери (уменьшение мощности) вследствие поглощения и рассеивания света в волокне из-за взаимодействия с веществами сердцевины и оболочки. Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света. Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина оптоволокна, но и от качества оболочки, так как часть оптического сигнала распространяется и в ней. Борются с этим явлением путем нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

Применять чрезмерно длинные волны невозможно, так как в этом случае резко возрастают потери на нагрев световодов, а поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина. С другой стороны, безграничное уменьшение длины волны приводит к возрастанию потерь на рассеивание сигнала. Именно баланс рассеивания и поглощения света определяет диапазон применяемых волн в оптоволоконных технологиях. Теоретически лучшие показатели достигаются на пересечении кривых поглощения и рассеивания. На практике зависимость затухания несколько сложнее и связана с химическим составом среды, в которой распространяется волна. В световодах основными химическими элементами являются кремний и кислород, каждый из которых проявляет активность на определенной частоте волны. В итоге в материале существует несколько областей с пониженным затуханием, которые называются окнами прозрачности, в которых функционируют оптические линии связи (рис.5.1 . Это название во многом условно, так как выбор диапазонов определялся не только затуханием но и параметрами используемых излучателей и приемников. Наиболее часто оптические кабели работают на длинах волн 0,85, 1,3 и 1,55 мкм. Диапазон длин волн 850 нм использовался наиболее широко, так как излучатели и приемники на этот диапазон наиболее дешевые. В спектральной области 1300 нм существенно более низкие потери, но излучатели более дорогие.



Рис.5.10.Зависимость затухания от длины волны

В общем случае потери измеряются в децибелах :

Потери = - 10 log (Выходная мощность /Входная мощность )

Иногда потерями называют коэффициент ослабления, т.е. потери в расчёте на 1 км волокна. Типичные значения потерь для многомодового волокна составляют 2,7 дБ/км на длине волны 850 нм и 0,75 дБ/км на длине волны 1300 нм. Для одномодового волокна величина потерь составляет 0,35 дБ/км на длине волны 1300нм и уменьшается до 0,25 дБ/км с ростом длины волны до 1550нм. Самое меньшее затухание, которое может иметь волокно, определяется уровнем Рэлеевского рассеяния и составляет приблизительно 0,16 дБ/км на длине волны 1550 нм.

При стыковке компонентов волоконно-оптической системы с помощью коннекторов и при сварке оптоволоконного кабеля могут возникать потери мощности, связанные с неточной центровкой световодов. В этом случае часть лучей просто не переходит в следующий световод, или входит под углом более критического. При неполном физическом контакте волокон возникает эффект обратных потерь – отражение в обратном направлении части полезного сигнала (рис.5.1 .



Рис.5.11.Механизмы возникновения обратных потерь в оптоволокне




Читайте далее:
Анонс журнала бди № 1 ,76, 2008
Анонс журнала алгоритм безопасности № 3, 2008
Анонс журнала бди №3 ,78, 2008
20 декабря 2005 года выходит в свет очередной 6-й номер журнала все о вашей безопасности
20 сентября выходит в свет 4-й номер журнала все о вашей безопасности
5 февраля выходит в свет первый номер журнала все о вашей безопасности
25 декабря выходит в свет очередной номер журнала тз
14 апреля выходит в свет очередной номер журнала тз ,технологии защиты,
6 февраля 2006 года выходит в свет №1 журнала все о вашей безопасности
30 октября выходит в свет №5 журнала все о вашей безопасности
16 - 22 мая 2005 года
25 декабря выходит в свет очередной номер журнала тз
На прошлой неделе вышел в свет №3 журнала тз ,технологии защиты,
Ведение в теорию надежности защиты информации. задачи резервирования механизмов защиты
Защита добавочной сзи нсд