Затухание
Собственные потери оптического волокна. Свет является электромагнитной волной. Скорость света уменьшается при распространении по прозрачным материалам по сравнению со скоростью распространения света в вакууме. Волны инфракрасного диапазона также распространяются различно по оптическому волокну. Поэтому затухание, или потери оптической мощности, должны измеряться на специфических длинах волн для каждого типа волокна. Длины волн измеряются в нанометрах (нм).
Потери оптической мощности на различных длинах волн происходят в оптическом волокне вследствие поглощения, отражения и рассеяния. Эти потери зависят от пройденного расстояния и конкретного вида волокна, его размера, рабочей частоты и показателя преломления.
Величина потерь оптической мощности вследствие поглощения и рассеяния света на определенной длине волны выражается в децибелах оптической мощности на километр (дБ/км).
Волокна оптимизированы для работы на определенных длинах волн. Например, можно достичь потерь в 1 дБ/км для многомодового волокна 50/125 мкм на длине волны 1300 нм, и менее 3 дБ/км (50%-е потери мощности) для того же волокна на 850 нм. Эти два волновых региона, - 850 и 1300 нм, являются областями наиболее часто определяемыми для рабочих характеристик оптических волокон и используются современными коммерческими приемниками и передатчиками. Кроме того, одномодовые волокна оптимизированы для работы в регионе 1550 нм.
В коаксильном кабеле чем больше частота, тем больше уменьшается амплитуда сигнала с увеличением расстояния, и это явление называется затуханием. Частота для оптического волокна постоянна до тех пор, пока она не достигнет предела диапазона рабочих частот. Таким образом, оптические потери пропорциональны только расстоянию. Такое затухание в волокне вызвано поглощением и рассеиванием световых волн на неоднородностях, вызванных химическими загрязнениями, и на молекулярной структуре материала волокна. Эти микрообъекты в волокне поглощают или рассеивают оптическое излучение, оно не попадает в ядро и теряется.
Затухание в волокне специфицируется производителем для определенных длин волн: например, З дБ/км для длины волны 850 нм. Это делается потому, что потери волокна изменяются с изменением длины волны.
Потери на микроизгибах. Без специальной защиты оптическое волокно подвержено потерям оптической мощности вследствие микроизгибов. Микроизгибы - это микроскопические искажения волокна, вызываемые внешними силами, которые приводят к потере оптической мощности из ядра. Для предотвращения возникновения микроизгибов применяются различные типы защиты волокна. Волокна со ступенчатым показателем относительно более устойчивы к потерям на микроизгибах, чем волокна с градиентным показателем.
Полоса пропускания (ширина спектра) - это мера способности волокна передавать определенные объемы информации в единицу времени. Чем шире полоса, тем выше информационная емкость волокна. Полоса выражается в МГц-км. Например, по волокну с полосой 200 МГц-км можно передавать данные с частотой 200 МГц на расстояния до 1 км или с частотой 100 МГц на расстояния до 2 км. Благодаря сравнительно большой полосе пропускания, волокна могут передавать значительные объемы информации. Одно волокно с градиентным показателем преломления может с легкостью передавать 500 миллионов бит информации в секунду. Тем не менее, для всех типов волокон существуют ограничения ширины полосы, зависящие от свойств волокна и типа используемого источника оптической мощности.
Для точного воспроизведения передаваемых по волокну данных световые импульсы должны распространяться раздельно друг от друга, имея четко различимую форму и межимпульсные промежутки. Однако лучи, несущие каждый из импульсов, проходят разными путями внутри многомодового волокна. Для волокон со ступенчатым показателем преломления лучи, проходя зигзагообразно по волокну под разными углами, достигают приемника в разное время.
Это различие во времени прибытия импульсов в точку приема приводит к тому, что импульсы на выходе линии искажаются и накладываются друг на друга.
Это так называемое модальное рассеивание, или модальная дисперсия, или уширение светового импульса ограничивает возможную для передачи частоту, так как детектор не может определить, где заканчивается один импульс и начинается следующий. Разница во временах прохождения самой быстрой и самой медленной мод света, входящих в волокно в одно и то же время и проходящих 1 км, может быть всего лишь 1 -3 нс, однако такая модальная дисперсия влечет за собой ограничения по скорости в системах, работающих на больших расстояниях. Удваивание расстояния удваивает эффект дисперсии.
Модальная дисперсия часто выражается в наносекундах на километр, например, 30 нс/км. Также она может быть выражена и в частотной форме, например 200 МГц-км. Это означает, что волокно или система будут эффективно работать в пределах частот до 200 МГц, прежде чем рассеивание начнет сказываться на пропускной способности на расстояниях более одного километра. Эта же система сможет передавать сигнал с частотой 100 МГц на расстояние в два километра.
Дисперсия делает многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления наименее эффективным по ширине полосы среди всех трех типов волокна. Поэтому оно используется на более коротких участках и низких частотах передачи. Типичным значением ширины полосы ступенчатого волокна является 20 МГц-км.
Размеры ядра одномодового волокна малы - от 8 до 10 мкм, что позволяет проходить по волокну только одному лучу света. Так как модальная дисперсия в данном случае полностью отсутствует, полоса пропускания у такого волокна гораздо больше, чем у многомодового, что позволяет достигать рабочих частот свыше нескольких сотен гигагерц на километр (ГГц-км).
Оптические волокна обладают еще одной разновидностью дисперсии, возникающей вследствие того, что разные длины волн распространяются в среде с разной скоростью. Такую "спектральную дисперсию" можно наблюдать, когда белый свет распадается на семь цветов радуги, проходя через стеклянную призму. Волны, представляющие разные цвета, движутся в среде с разной скоростью, что приводит к различию в траекториях распространения лучей.
Если бы оптический источник волоконной системы излучал свет одной частоты, спектральная дисперсия или материальная дисперсия (или хроматическая дисперсия, как ее еще часто называют) была бы устранена. В действительности, абсолютно монохроматических источников света не существует. Лазеры обладают определенным, хотя и очень небольшим, уширением спектра излучаемого света. У источников света на основе LED (полупроводниковые светодиоды) спектральный диапазон в 20 раз шире чем у лазера, и спектральная дисперсия, в свою, очередь намного выше. Дисперсия в стеклянном волокне минимальна в регионе около 1300 нм, позволяя одномодовым волокнам иметь значительную полосу на данной длине волны.
Одномодовое волокно обычно используется с лазерными источниками благодаря своей высокой спектральной чистоте. Для обеспечения эффективного функционирования таких систем требуются прецизионные коннекторы и муфты. Благодаря своим низким потерям и высоким пропускным характеристикам, одномодовые волокна, как правило, являются наилучшим и, как правило, единственным выбором для монтажа протяженных высокоскоростных линий, таких как междугородние телекоммуникационные системы.
Между одномодовым волокном и волокном со ступенчатым показателем преломления располагаются волокна с градиентным показателем преломления. Для уменьшения эффекта модальной дисперсии лучи в таких волокнах постепенно перенаправляются назад к оси ядра. Волокна с градиентным показателем преломления имеют гораздо большую полосу, чем волокна со ступенчатым показателем преломления. По волокну с градиентным показателем преломления с полосой 600 МГц-км можно передавать сигнал с модуляцией 20 МГц на расстояние до 30 км. Стоимость такого стеклянного волокна является одной из самых низких. Малые потери мощности передаваемого сигнала плюс большая полоса позволяют использовать его для монтажа локальных сетей.
