2.2 Волоконно-оптические кабели в сети доступа

2.2 Волоконно-оптические кабели в сети доступа

Современное представление о сети доступа уже неразрывно связано с использованием волоконно-оптических кабелей с подводом к абонентскому терминалу или с промежуточным окончанием («гибридный вариант волокно–медь»).
В чем состоит физика волоконно-оптической передачи?
Когда световая волна падает на границу раздела двух сред, то могут наблюдаться следующие эффекты: свет преломляется; свет отражается; свет распространяется вдоль границы раздела сред. Эти эффекты зависят от соотношения показателей преломления сред и угла падения света. Связь этих параметров устанавливает закон Снеллиуса:
, (2.2)
где a – угол падения, b – угол преломления, V1 –скорость света в среде 1, V2 – скорость света в среде 2. На рисунке 2.10 приведен пример распространения света на границе раздела сред.
В оптических стекловолокнах используется эффект отражения света. Стекловолокна выполняются цилиндрическими и прямоугольными. Прямоугольные применяются в микросхемах, а цилиндрические в виде длинных волокон служат основой кабелей (примеры волоконных световодов на рисунке 2.11).
В конструкциях световодов выделяются две составляющие: сердцевина с диаметром от 8-10 мкм до 100 мкм и оболочка с диаметром от 125 до 140 мкм. Сердцевина и оболочка выполняются из материалов с разной оптической плотностью, которая характеризуется показателем преломления:
, (2.3)

Рисунок 2.10 Световые лучи на границе раздела физических сред

Рисунок 2.11 Примеры конструкций волоконных световодов

где С – скорость света в свободном пространстве (~ 3x10 м/с), V – скорость света в веществе. Обычно значение показателя преломления сердцевины обозначается n₁, а оболочки n₂. Условием распространения света в волноводе в этом случае записывается:
. (2.4)
В зависимости от геометрических размеров сердцевины и соотношения показателей n₁ и n₂ возможна реализация режимов работы световодов: многомодовый и одномодовый.
Многомодовый режим характеризуется распространением в световоде множества независимых лучей света или типов волн.
Одномодовый режим характеризуется распространением в световоде одного луча света или одного типа световой волны (рисунок 2.12).
Для изготовления световодов применяют многие материалы, которые условно подразделяют на неорганические и органические. К неорганическим относятся стекла (SiO2, GeO2, NAO2, СаО , PbО и другие) и дополнительные присадки к ним (Р2О5, TiO2, Аl2О3, Sb2O3). К органическим относятся пластмассы на основе различных полимеров (метилметакрилат, тетрафторпропилметакрилат, метилакрилат и другие) [29, 30].

Рисунок 2.12 Лучи света в волноводе

Рисунок 2.13 Характеристики затухания стекловолокна

Волоконные световоды на основе пластмасс имеют худшие характеристики, чем на основе стекол, но они на порядок дешевле. Это очень важное обстоятельство для использования волоконных световодов в сетях доступа, где наиболее актуально снижение затрат на одно окончание для пользователя.
Одномодовые и многомодовые световоды характеризуются двумя важнейшими параметрами передачи оптических сигналов: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в световоде. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. Например, для кварцевых волокон (стекловолокон) передача наиболее эффективна вблизи длин волн: 0,85 мкм; 1,3 мкм и 1,55 мкм (рисунок 2.13).

Рисунок 2.14 Зависимость эффективности передачи мощности оптического излучения в пластиковом световоде от длины волны

Полимерные волокна имеют другие значения длин волн наивысшей эффективности передачи (рисунок 2.14).
Затухание пластикового световода может составлять десятки и сотни дБ/км, что естественно ограничивает возможности передачи до десятков и сотен метров. Лучшие пластиковые световоды обеспечивают передачу до 3 км при стандартных излучателях и приемниках.
Другой важнейший параметр оптического волокна – дисперсия. Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных, модовых и поляризационных составляющих оптического сигнала.
Известны три типа дисперсии:
– межмодовая, которая характерна для многомодового волокна и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно;
– хроматическая, которую подразделяют на материальную и волноводную дисперсии, при этом материальная обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны (ширины спектра излучения), а волноводная зависит от процессов распространения составляющих моды в сердцевине и оболочке, т.е. тоже от ширины спектра моды;
– поляризационная модовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих одной моды.
Межмодовая и хроматическая дисперсия имеют размерности [], а поляризационная дисперсия имеет размерность [ ].
Совокупная дисперсия световода определяется соотношением:
, (2.5)
где – межмодовая, – материальная, - волноводная, –поляризационная.
Кроме того, многомодовое волокно еще характеризуется полосой пропускания [71]:
. (2.6)
Хроматическая дисперсия зависит от ширины спектра излучения и она может быть определена произведением:
, (2.7)
где Dl– ширина спектра источника излучения, (удельная нормированная) величина, измеряемая [пс/нмxкм].
Наиболее важные типовые характеристики волоконных световодов приведены в таблице 2.7.
Таблица 2.7 Примеры типовых характеристик стекловолокон
Еще одной характерной особенностью волоконных световодов является структура профиля показателя преломления сердцевины и оболочки. Примеры структур и их влияние на параметры дисперсии показаны на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 Примеры взаимосвязи профиля показателя преломления
и величины дисперсии волоконных световодов
а) ступенчатый профиль показателя преломления оптического волокна; б) треугольный профиль показателя преломления оптического волокна; в) градиентный профиль многомодового оптического волокна
Рисунок 2.16 Примеры конструкций объектовых (абонентских) кабелей
с волоконными световодами и плотной укладкой волокон
Известно множество конструкций оптических кабелей. Среди них необходимо выделить кабели для сетей доступа, которые должны отвечать определенным требованиям: