Физика - оптика, передача сигнала по оптоволокну

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Строение оптоволокна

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Принципы передачи

Луч света вводится в волокно под малым углом [math]\alpha[/math]. Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой [math]NA[/math]:

[math] NA =\sin \alpha_0=\sqrt {n_1^2-n_2^2}[/math], где [math]\alpha_0[/math] — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), [math]n_1[/math] — показатель преломления сердцевины и [math]n_2[/math] — показатель преломления оболочки.

Распространение света в оптоволокне

Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Часть света вводится через полный приемный конус оптоволокна.

Полный приемный конус оптического волокна определяется как [math]2\alpha_0[/math]

Преломление

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если [math]\alpha \gt \alpha_0[/math], то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.

[math] n_1\sin \alpha_r = n_2\sin\alpha_i[/math]

Отражение

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.Если [math]\alpha \lt \alpha_0[/math], то луч отражается и остается в сердцевине.

[math] \alpha_r = \alpha_i[/math]

Принцип распространения

Лучи видимой области спектра входит в оптоволокно под разными углами и идут разными путями. Луч, вошедший в центр сердцевины под малым углом пойдёт прямо и по центру волокна. Луч вошедший под большим углом или около края сердечника пойдёт по ломаной и будет проходить по оптоволокну более медленно. Каждый путь, следуя из данного угла и точки паления даст начало моде. Поскольку моды перемещаются вдоль волокна, каждая из них до некоторой степени ослабляется.

Типы оптоволокна

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:
слева вверху — одномодовое волокно;
слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно;
справа — градиентное волокно с параболическим профилем]]

Одномодовые волокна

Плюсы:

• Высокая пропускная способность

• Немного мод одновременно ⇒ уменьшено влияние модальной дисперсии

• Расстояния до 80 км

Минусы:

• Дорогое оборудование

• Поляризационная дисперсия

Многомодовые волокна

Плюсы:

• Много сигналов по одному световоду

• Более дешевое оборудование

Минусы:

• Не более 1000 метров

• Много мод одновременно – модальная дисперсия

• Хроматическая дисперсия

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Факторы, ухудшающие пропускание света

Затухание светового излучения

Затухание определяет величину ослабления оптической мощности лазерного луча в децибелах на км (дБ/км) при прохождении по оптоволокну. Несмотря на высокий уровень технологий, используемых при изготовлении оптоволокна, оптическое волокно не лишено дефектов, приводящих к ослаблению передаваемого сигнала. Основными причинами, вызывающими затухание сигнала в оптоволокне, являются: поглощение и рассеивание, связанные с неоднородностью оптического материала из-за различного рода примесей, а также потери на микроизгибах оптического волокна. Зависимость значения затухания от величины волны (окна прозрачности) показана на ниже.

Дисперсия

Другой фактор, который искажает сигнал во время передачи — дисперсия, которая уменьшает эффективную пропускную способность передачи. Основные типы дисперсии: модовая дисперсия, хроматическая дисперсия, и поляризационная дисперсия.

Хроматическая дисперсия

Волны с разной длиной волны перемещаются с разной скоростью.

[math] n(\lambda) = n_0 + \frac{a}{\lambda^2} +\frac{b}{\lambda^4} [/math]

Разный показатель преломления для разных длин волн.

[math] v = \frac{c}{n} \approx \frac{c}{n_0}(1 -\frac{a}{n_0\lambda^2}) [/math] ⇒ разная скорость.

Поляризационная дисперсия

Волны с разной поляризацией перемещаются с разной скоростью.

Многие кристаллы пропускают свет с разной поляризацией по-разному: разная степень затухания и разная скорость.

Модальная дисперсия

Разные моды волны перемещаются с разной скоростью.

Нелинейные эффекты

Мощный уровень и маленькая эффективная область волокна, вызывают нелинейные эффекты. С увеличением уровня мощности и числа оптических каналов, нелинейные эффекты могут стать проблемным фактором в системах передачи. Аналоговые эффекты могут быть разделены на две категории

Феномен показателя преломления

Явления показателя преломления вызывают фазовую модуляцию.

Фазовая автомодуляция

Фазовой автомодуляцией (Self-Phase Modulation — SPM) называется эффект, возникающий при воздействии сигнала на собственную фазу. С высокими силами излучения свет вызывает изменение показателя преломления оптоволокна, известного как эффект Керра. Это явление производит канал из фазы, изменяющейся во времени. Изменяющийся во времени показатель преломления модулирует фаза передаваемой длины волны, расширяя длину волны спектра переданного оптического импульса.

[math] \delta\phi = \frac{2\pi}{\lambda} \frac{L}{SP} [/math]

Где L является расстоянием передачи, S — площадь сердечника оптоволокна и P — мощность оптического излучения.

Смещение длины волны из-за SPM уменьшается при положительной хроматической дисперсии. За счёт неё при проектировании сети SPM может быть частично компенсировано.

Перекрестная фазовая модуляция

Перекрестная фазовая модуляция (Cross-Phase Modulation — CPM) называется эффект при котором сигнал в одном канале изменяет фазу в другом канале. Подобно SPM, CPM происходит из-за эффекта Керра. Однако, эффекты перекрестной фазовой модуляции возникают только при передаче множества каналов в одном волокне. В CPM, та же самая частота смещена в края сигнала в модулируемом канале как в SPM, спектрально расширяя изначальный импульс.

Четырёхволновое смешение

FWM (Four-Wave Mixing) является интерференционным явлением, которое производит паразитные сигналы от трех частот [math](\lambda = \lambda_1 + \lambda_2 - \lambda_3)[/math], то есть происходят, когда три различных канала индуцируют четвертый канал.

Существует много вариантов, при которых каналы могут объединиться, чтобы сформировать новый канал по вышеупомянутой формуле. Кроме того, созданные каналы тоже могут вызывать третий уровень паразитных частот.

Из-за мощных уровней, эффекты FWM производят много фантомных каналов (некоторые из которых перекрывают каналы сигнальные), зависимых от числа сигнальных каналов. Например, система с 4 каналами произведет 24 фантомных канала и с 16 каналами будет произведено 1920 каналов фантомных. FWM один из самых неблагоприятных нелинейных эффектов в системах DWDM.

В системах, использующих оптоволокно со смещённой дисперсией, FWM становится огромной проблемой, работая на длине волны приблизительно 1550 нм или на длине волны с нулевой дисперсией. Различные длины волн, долго перемещаются группой с одинаковой скоростью и в постоянной фазе по длинному промежутку времени и увеличивают эффекты FWM. В стандартном волокне (волокно не со смещённой дисперсией), определенное количество хроматической дисперсии происходит приблизительно на длине волны 1550 нм, приводя к различным длинам волны, с отличающимися групповыми скоростями, уменьшая эффекты FWM. Используя неправильный интервал между каналами также можно достигнуть сокращения эффектов FWM.

Явление рассеивания

Явление рассеивания может быть характеризовано как процесс, когда сигнал лазера рассеивается молекулярным колебанием волокна (оптические фотоны) или виртуальным трением.

Вынужденное рассеивание Рамана

Вынужденное Рамановское рассеиванием (Stimulated Raman Scattering — SRS) называется эффект, который преобразует энергию сигнала с короткой длиной волны в энергию сигнала с более длинной волной. Взаимодействие волны света с вибрирующими молекулами (оптические фотоны) в пределах кварцевого волокна вызывает SRS, рассеивая свет во всех направлениях. Длина волны разделяется между двумя сигналами интервалом приблизительно 100 нм (13.2 TГц), например, 1550 — 1650 нм отображают максимум эффекта SRS.

Вынужденное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама

Вынужденным рассеянием Бриллюэна — Мандельштама (Stimulated Brillouin Scattering — SBS) является явление обратного рассеяния, вызывающим потерю мощности. Мощные световые волны вызывают периодические изменения в показателе преломления волокна, которое могут быть описаны как виртуальное трение, перемещающееся как акустическая волна. Сигнал при этом явлении рассеивается обратно. Эффекты SBS происходят при передаче некоторого небольшого количества каналов.

Некоторая полезная информация

С момента появления первого персонального компьютера фирмы IBM (1981 г.) скорость передачи данных выросла с 45 Мбит/с (линия T3 по телефонным проводам) до 100 Гбит/с (современная длинная линия), это означает не менее впечатляющий рост в 2000 раз или 16 раз за 10 лет. При этом вероятность ошибки при передаче уменьшилась с 105 на бит почти до нуля. Помимо этого, процессоры начинают приближаться к своим физическим пределам, поэтому теперь на одном кристалле их используется сразу несколько. Существующая ныне оптоволоконная технология, напротив, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и до достижения ее физического предела нам еще далеко. Сегодняшний практический предел в 100 Гбит/с обусловлен нашей неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Для того чтобы достичь более высокой скорости, по одному волокну просто одновременно передаются данные нескольких каналов.

Для двухслойного световода с ядром в 50 μm модальная дисперсия ограничивает частоту до 20 МГц при длине в 1 км. Кроме того, с помощью многослойного световода и специальных материалов можно достигнуть ограничения в 3.5 ГГц для 1 км.

Типичные характеристики (скорости/расстояния) передачи для многомодового оптоволокна - 100 Мбит/с для расстояний до 2 км (100BASE-FX), 1 Гбит/с для расстояний до 220/550 м. (1000BASE-SX), и 10 Гбит/s для расстояний до 300 м. (10GBASE-SR).

Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 100 Гбит/с на расстоянии до 100 км. В лабораториях были достигнуты и более высокие скорости, правда, на меньших дистанциях.Самый последний результат – 27 Тбит/с на расстояние около 80 км.