Потери при соединении оптических световодов методом сварки. Нормирование потерь в сварных соединений на ЭКУ ВОЛС.

Внутренние потери определяются факторами, которые невозможно контролировать (достичь их улучшения при заделке волокна в соединитель), а именно парной вариацией:

-Диаметром сердцевин,

-Показателей преломления,

-Числовых апертур,

-Эксцентриситетов сердцевина/оболочка,

-Неконцентричностей сердцевины….

«Внутренние» потери преобладают в неразъемных (сварных) соединениях.

«Внешние» потери зависят от таких факторов как:

-механическая нестыковка (боковое смещение; угловое смещение; зазор между волокнами);

-френелевского рассеяния на неоднородностях;

-шероховатости на торце сердцевины;

-загрязнение между торцами волокон

-в зазоре между волокнами среда имеет показатель преломления отличный от показателя преломления сердцевины волокна

Внешние потери преобладают в разъемных соединениях.

Методы центрирования ОВ, применяемые в сварном соединении:

-метод V-образного пазла,

-метод центрирования по внешнему излучению,

-высокоразрешающий метод контроля,

-центрирование по излучению, проходящему через оптические волокна,

-метод управления дугой по тепловым картинам.

Механический способ удаления первичного защитного покрытия уменьшает прочность сварного соединения на 10%, для увеличения прочности на разрыв применяются термострипперы или химический способ очистки.

Для оценки прочности места сварки в сварочных аппаратах, как правило, предусматривается тестирование на разрыв. При тестировании на разрыв производится растяжение места сварки с усилием, равным обычным 2Н, или 4,5Н. Сварочные аппараты с увеличенной прочностью сварки тестируют прочность сварки с усилием до 20-30Н.

Методы увеличения прочности сварки:

-использование специальных волоконных держателей при очистке и сварке;

-снятие защитной оболочки с помощью инструмента, имеющего эффективное очищающее лезвие и автоматическую тягу, не повреждающее волокно

-окончательная очистка волокна ультразвуком в кювете с пропанолом или этанолом (частота 55кГц, 10с);

-применение электронных скалывателей;

-сварка с укороченной длиной зачистки волокна от3 до 5 мм;

-восстановление защитного покрытия.

Методы определения потерь в разных методах центрирования при сварке:

Результирующее значение потерь определяется

-косвенно, при внешнем освещении волокна , расчетом потерь по угловым, боковым смещениям, различием диаметров сердцевин…

-измерением, в котором центрирование волокон и определение потерь осуществляется по изучению, проходящему через оптические волокна.

Основные тенденции развития сварочной техники:

-сокращение времени сварки,

-уменьшение потерь на сварном соединении (менее 0,01-0,02-0,06 дБ)

-уменьшение уровня обратного сигнала от места сварки (не более -60 дБ)

-сварка ленточных волокон -4 -8 -16 волокон,

-увеличение прочности сварки с 2Н до 20Н и 30Н,

-сварка волокон, сохраняющих поляризацию,

-сварка волокон, легированных эрбием, WDM, CWDM, DWDM… -технологии

1. Дисперсионные характеристики оптических световодов. Влияние дисперсии на передачу цифровых оптических сигналов. Коэффициент дисперсии и его зависимость от длины волны в различных типах оптических волокон.

Важным параметром оптического волокна является дисперсия, которая определяет его информационную пропускную способность.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме

Рис.1

Дисперсия — это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе 0В [2]:

где значения tвых и tвх определяются на уровне половины амплитуды импульсов.

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.

Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами:

• различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией),
• направляющими свойствами оптического волокна (волноводной дисперсией),
• параметрами материала, из которого оно изготовлено (материальной дисперсией).

Рис.2

Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны — некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн Dl (хроматическая дисперсия).

Межмодовая дисперсия преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны 1 одинакова для всех мод.

Рис.3

Лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси в пределах 0 < q < q_A, достигают приемного устройства с некоторым временным сдвигом, что, естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого импульса.

Согласно геометрической интерпретации распространения оптических лучей по ОВ, время распространения луча зависит от угла j определяется выражением

(2)

Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при j = 90^o, а максимальное при j = j_пред, соответствующие им значения времени распространения можно записать как

и (3)

откуда значение межмодовой дисперсии равно где D - относительная разность показателей преломления "сердцевина-оболочка":

(4)

Из последнего выражения следует, что межмодовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна. Однако это справедливо только для идеального волокна, в котором взаимодействие между модами отсутствует.

В реальных условиях наличие неоднородностей, кручение и изгиб волокна приводят к постоянным переходам энергии из одних мод в другие — взаимодействию мод, в связи с чем дисперсия становится пропорциональной . Это явление проявляется не сразу, а после установившейся связи мод. Длина установившейся связи мод L_c определяется эмпирическим путем и составляет 5—7 км для ступенчатого волокна и 10 — 15 км — для градиентного.

При L > L_c в ступенчатых ОВ значение межмодовой дисперсии пропорционально не L , а :

Рис.5

(5)

Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с неоднородностями, которые есть в реальном волокне. Эти неоднородности приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри них. При L > L_c наступает установившийся режим, когда все моды в определенной установившейся пропорции присутствуют в излучении. Обычно длины линий связи между активными устройствами при использовании многомодового волокна не превосходят 2 км и значительно меньше длины межмодовой связи. Поэтому можно пользоваться линейным законом дисперсии.

Рис.6

В градиентных (профилированных) многомодовых волокнах время распространения оптических лучей определяется законом изменения показателя преломления и при определенных условиях выравнивается, что, естественно, влечет к уменьшению дисперсии. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траекторий изменяется - так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а удаленных - больше. Следовательно, лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время распространения лучей выравнивается и увеличение длительности импульса становится меньше. За счет выравнивания времени прохождения различных лучей в ОВ происходит эффект самофокусировки, т.е к улучшению характеристик многомодового волокна с профилированным показателем преломления.

На практике межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок меньше, чем у ступенчатых волокон.

При описании многомодового волокна, чаще пользуются термином полоса пропускания. При расчете полосы пропускания W можно пользоваться формулой :

Измеряется полоса пропускания в МГц·км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W - это максимальная частота модуляции передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания обратно пропорционально зависит от расстояния.

Итак, межмодовая дисперсия может быть уменьшена тремя способами:

• Использованием ОВ с меньшим диаметром сердцевины, поддерживающим меньшее число мод;
• использованием ОВ с профилированным сглаженным показателем преломления;
• использованием одномодового ОВ.

Хроматическая дисперсия. Отличие времени распространения каждой из направляемых мод, образующих сигнал, от частоты спектра источника оптического излучения приводит к возникновению так называемой хроматической (частотной) дисперсии, которая, в свою очередь, складывается из внутримодовой (волноводной) дисперсии и материальной дисперсии. Хроматическая дисперсия имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.

Внутримодовая (волноводная) дисперсия обусловлена направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра.

Поэтому внутримодовая дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра излучения источника Dl:

,

где B(l) — удельная внутримодовая дисперсия.

Материальная дисперсия вызвана зависимостью показателя преломления сердцевины от длины волны n_с(l), что приводит к различным скоростям распространения спектральных составляющих источника излучения.

Любой сигнал или помеха налагаемые на световую волну распространяются не с фазовой скоростью волны ,

а с групповой скоростью . В недисперсионной среде фазовая скорость не зависит от частоты волны и равна групповой скорости. В дисперсионной среде фазовая скорость зависит от частоты и отлична от групповой скорости. Это обстоятельство важно, поскольку групповая скорость является скоростью распространения сигнала.

Рис.7

Возникающая при этом различная задержка частотных составляющих распространяющегося в ОВ излучения определяется дисперсией материала:

или

,

где называют удельной материальной дисперсией M(l).

Материальная дисперсия определяется экспериментальным путем. При разных составах легирующих примесей в ОВ M(l) имеет разные значения.

Уровень дисперсии зависит от монохроматичности источника света и от центральной длины волны источника l. В области длин волн 850 нм более длинные волны (855 нм) движутся быстрее чем более короткие (845 нм). В области длин волн 1550 нм более длинные волны (1560 нм) движутся медленнее чем более короткие (1540 нм). В некоторой области спектра происходит совпадение близких длин волн. Для кварцевого волокна это совпадение находится в области 1300 нм (для чистого кварца соответствует 1280 нм).

График зависимости удельной материальной дисперсии для кварцевого материала показан на рисунке.

Следует отметить, что материальная дисперсия кварцевого ОВ при определенной длине волны l=1,28 мкм (для несмещенного ОВ) изменяет свой знак. Эта точка носит название точки нулевой материальной дисперсии.

Итак, волноводная В(l) и материальная M(l) дисперсии (в сумме составляющие хроматическую дисперсию) зависят от материала и монохроматичности источника света ( рисунок для волокна SF) .

Очевидно, что, изменяя соотношение между волноводной и материальной дисперсией, точку нулевой дисперсии можно перемещать в небольших пределах. Более того изменяя профиль показателя преломления ОВ можно сместить волноводную дисперсию и как результат изменится хроматическая дисперсия.

Для кварцевых ОВ минимум затухания соответствует длине волны 1,55 мкм. На этой длине при больших скоростях передачи дальность связи может ограничиваться дисперсией. Поэтому практический интерес представляет минимизация дисперсии при l = 1,55 мкм. Этого можно добиться выбором соответственного профиля показателя преломления ОВ.

Хорошие результаты дает треугольный профиль, при котором достигаются минимум потерь и нулевая дисперсия при l =1,55 мкм. Модификации треугольного ППП представлены на рисунке.

ОВ со смещенной дисперсией обеспечивают минимальную дисперсию только на одной длине волны l =1,55мкм. Это затрудняет применение мультиплексирования для работы на нескольких оптических несущих в окне прозрачности 1,55 мкм. Для обеспечения min дисперсии во всем окне прозрачности используют ОВ со сглаженной дисперсией, разновидности профилей показателей преломления которых показаны на рисунке (а-г).

В общем виде дисперсия для ОВ будет равна:

где t_мм и t_хр = t_в + t_мат — расширение импульса на выходе ОВ относительно импульса, поданного на его вход, имеющее место в результате межмодовой и хроматической дисперсии соответственно.

В нормальных условиях материальная дисперсия преобладает над волноводной, причем обе ее составляющие могут иметь противоположный знак и различаться характером зависимости от длины волны. В ряде случаев это позволяет оптимизировать профиль показателя преломления волокна путем минимизации суммарной дисперсии на определенной длине волны за счет взаимной компенсации материальной и волноводной дисперсии. Известно, что для кварцевых ОВ минимум затухания соответствует длине волны l = 1.55 мкм и при больших скоростях передачи дальность связи на этой длине волны может ограничиваться дисперсией, поэтому для ее снижения осуществляется выбор соответствующего профиля показателя преломления ОВ. Так как хроматическая дисперсия зависит от длины световой волны и, следовательно, от ширины спектра источника оптического излучения, она нормируется в .

Поляризационная модовая дисперсия. Поляризационной модовой дисперсии (ПМД) можно дать следующее пояснение. В одномодовом ОВ в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды – две перпендикулярные поляризации исходного сигнала (две ортогонально поляризованные волны LP₀₁). В идеальном однородном по геометрии волокне распространяются с одинаковой скоростью. Однако реальные ООВ имеют неидеальные геометрические параметры и при внешних воздействиях на них в кабеле, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными состояниями поляризации, и как следствие к появлению ПМД. Итак ПМД возникает вследствие задержки распространения ортогонально поляризованных световых волн в ООВ с овальным (нециркулярным) профилем сердцевины.

Поляризационной модовая дисперсия растет с ростом расстояния по закону:

где k_пмд — коэффициент удельной поляризационной дисперсии, который нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность .

В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия мала и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь. Поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых ОВ с эллиптической (нециркулярной) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (2,5 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной линией излучения 0,1нм и менее. Проблема поляризационной модовой задержки возникает, например, при обсуждении проектов построения супермагистралей (>100 Гбит/с) городского масштаба.

Результирующая дисперсия одномодового волокна должна определяться в соответствии с выражением

1. Пропускная способность оптических световодов.

Полоса пропускания оптического волокна. Как известно, предельный объем информации, который можно передать по волокну единичной длины, определяется его полосой пропускания. Поэтому в ряде случаев для оценки влияния дисперсии пользуются частотным эквивалентом этого понятия, имеющим размерность МГц·км и называемым коэффициентом широкопо-лосности

При этом расчет полосы пропускания W можно выполнить по приближенной формуле :

На рисунке показан характер зависимости дисперсии t и полосы пропускания Df от длины линии L типичного оптического волокна, из которого следует важный вывод, заключающийся в том, что с увеличением длины дисперсия ОВ возрастает, а полоса пропускания уменьшается.

Соотношение между полосой частот и дальностью передачи устанавливается:

Здесь значения с индексом х относятся к искомым значениям, Df₀ — полоса пропускания заданной длины L₀ (обычно L₀ =1 км и Df₀ называют нормированной полосой пропускания), L_c — длина установившейся связи мод.

При проектировании ВОЛС ее протяженность и полосу пропускания устанавливают исходя из значений дисперсии t и затухания a · L ОВ. Очевидно, что определение этих

параметров и является первостепенной задачей измерений на ВОЛС.