Расчет затухания в оптических линиях связи

где n1 и n2 - показатели преломления волокон (зазора между волокнами нет). Эти потери пропадают только при равенстве показателей преломления. Потери при вариации апертур возникают в том случае, если апертура волокна, передающего сигнал NA1, больше апертуры волокна, принимающего сигнал NA2 и определяются как

При NA1< NA2 апертурные потери не возникают. Потери при вариации диаметров возникают, когда диаметр передающего волокна  меньше диаметра принимающего, и определяются соотношением

где D1 и D2 - диаметры передающего и принимающего волокон, соответственно. При D1 < D2 потери не возникают.

   Соединение волокон 62,5/125 и 50/125. Факт наличия двух основных широко распространенных стандартов многомодового градиентного волокна 50 мкм и 62,5 мкм нужно принять как свершившийся. Многомодовое волокно наибольшее применение имеет при строительстве локальных сетей. Российские заводы по производству волоконно-оптического кабеля более широко используют стандарт многомодового волокна с диаметром светонесущей жилы 50 мкм отечественного производства. Если свет распространяется из волокна 50/125 в волокно 62,5/125, то потери интенсивности света не происходит (мы пренебрегаем другими потерями). Если же свет переходит из волокна 62,5/125 в волокно 50/125, то только доля (50/62,5)2 интенсивности света будет во втором волокне, что соответствует потерям 1,94 дБ.

   Этот факт учитывается при производстве оптических приемопередатчиков. Так, обычно светодиод передатчика рассчитан на волокно меньшего диаметра (50 мкм), а приемник в этом же устройстве на волокно большего диаметра (62,5 мкм). В этом случае не является строго обязательным использование в кабельном сегменте, соединяющим такие устройства, стандарта волокна 62,5/125, рекомендованного спецификацией ANSI/TIA/EIA - 568А.

   Более того, многие сетевые стандарты закладывают большой запас по затуханию в кабельной системе. Например, стандарты физического уровня на многомодовое волокно FDDI (PMD), Fast Ethernet (l00Base - FX) рассчитаны на максимальное допустимое затухание в линии до 11 дБ при максимальном допустимом расстоянии 2 км. Если учесть, что потери в кабеле составляют 3 дБ/км, а в соединителе с однотипными волокнами - 0,5 дБ, то один дополнительный переход с 62,5 на 50 мкм, вносящий затухание 2,5 дБ, не будет критичным даже при максимальной длине кабельного сегмента (2 км). Соединение многомодового и одномодового волокон. Еще большие внутренние потери (примерно 16 дБ) возникают при сопряжении многомодового и одномодового волокна, когда свет распространяется из первого во второе волокно.

Внешние потери – это потери, которые являются следствием несовершенства как самой конструкции соединителя, так и процесса сборки оптического шнура. Внешние потери зависят от таких факторов как: механическая нестыковка (угловое смещение θ, радиальное смещение L осевое смещение S); шероховатости на торце сердцевины; загрязнение участка между торцами волокон, рис.5.

Потери при угловом θ, радиальном L и осевом S смещениях определяются соответственно формулами (рис.5 а, б, в): 
 

где NA - апертура волокна, D - диаметр светонесущей части волокна, L -радиальное смещение, S - осевое смещение, п0 - показатель преломления среды, заполняющей пространство стыка. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.5. Четыре главных вида внешних потерь в  соединителе: а) потери при угловом  смещении; б) потери при радиальном смещении; в) потери при осевом смещении; г) потери из-за френелевского рассеяния на неоднородностях 

   Некачественная полировка торцов волокон, а также трение, возникающее при многократном переподключении соединителей (имеющих физический контакт), может привести еще к одному типу потерь - потерь, связанных с рассеянием на микротрещинах (рис.5 г).

Приведенное соотношение для потерь при осевом смещении учитывает только фактор апертурной расходимости светового потока. Однако при появлении зазора между волокнами  появляется и френелевское отражение из-за того, что среда, заполняющая пространство между открытыми плоскостями торцов волокон имеет отличный от волокон показатель преломления, рис.6.

С учетом двух скачков показателей преломления  коэффициент прохождения определяется из соотношения:

При величине зазора, сравнимой с длиной волны  или большей, по осцилляциям синуса можно произвести усреднение. Тогда  потери определяются как

где n1 - показатель преломления волокна (≈1,5), одинаковый для обоих сторон, n - показатель преломления среды в зазоре, рис.6. В случае воздушного зазора (n = 1) потери составляют 0,35 дБ. Френелевские потери можно уменьшить, подбирая наполнитель между соединителями, близкий по показателю преломления к волокну, или делая зазор много меньше длины волны.

Рис. 6. Френелевское отражение

  Обычно суммарные потери в соединителе составляют до 0,3-0,4 дБ для одномодового и многомодового волокон. При этом, естественно, более жесткие требования предъявляются к качеству одномодового соединителя. 

Обратное  отражение и контакты типа PC, Super PC, Ultra PC, APC

   Рассеяние не только ведет к ослаблению проходящего сигнала, но и увеличивает обратный световой поток. Обратное отражение, как правило, начинает сказываться в оптических линиях широкополосной цифровой передачи, широкополосной аналоговой передачи, или в магистральных линиях с большим числом разъемных сопряжении. Для построения таких линий, в основном, используется одномодовое волокно. Сильное обратное отражение от стыков соединителей может взаимодействовать с активной средой лазерного передатчика и, в конечном итоге, приводить к ненужным дополнительным световым сигналам. В абонентских широковещательных сетях кабельного телевидения, использующих широкополосные (до 1 ГГц) аналоговые оптические передатчики, такая обратная связь приводит к паразитной интерференции передаваемых сигналов, в результате чего, например, ухудшается качество видеоизображения. При цифровой передаче обратное рассеяние менее критично, однако суммарный эффект обратного рассеяния на нескольких стыках соединителей может быть причиной потери битовой информации на приемном устройстве.

  Обратное отражение является вторым по пагубности фактором после вносимых потерь. Коэффициент обратного отражения R определяется как R = Pr/Pin , а потери на обратном отражении или просто обратные потери b - определяются как b =101gR=101g Pr/Pin, [дБ], где Рr - интенсивность отраженного излучения. Знак минус (в отличии от соотношения для вносимых потерь) здесь намеренно отсутствует, что ведет к отрицательным значениям для обратных потерь. Лучшими характеристиками обладает соединение с более низкими вносимыми потерями (ближе к 0 дБ) и более низкими (более отрицательными) обратными потерями.

   Основным фактором, вносящим вклад в обратное отражение, является френелевское отражение вследствие зазора S (обычно воздушного) между торцами волокон. Наиболее общее выражение для коэффициента отражения имеет вид 

где n1 - показатель преломления волокна (одинаковый для  обеих сторон), n -показатель преломления  среды в зазоре (рис.6). Обычно пренебрегают разницей в показателях преломления  между волокнами при разъемном  соединении. Заметим, что RF + DF = 1, что  соответствует закону сохранения энергии. Непараллельность торцов приводит к разным значениям зазора S для разных участков сердцевины. В этом случае, происходит усреднение по осцилляциям синуса, а обратные потери определяются как 
 
 
 

При n1 =1,5 и n = 1,0 они равны -11 дБ. Коэффициент  отражения может обращаться в  нуль при ненулевых

значениях зазора S, когда аргумент синуса кратен π. Однако практически это невозможно достичь. Более того, этс выполнялось бы только для одной длины волны или ее узкой окрестности. Поэтому, только путем уменьшения величины зазора можно достичь более низких значений коэффициента отражения и, соответственно, обратных потерь. В табл.1 приведены значения обратных потерь для разных отношений зазора и длины волны.

Таблица 1. Зависимость френелевского отражения от величины зазора (n1 =1,5 и n = 1,0; рис.6)

При малых  значениях S/λ, (S/λ <0,1) вклад френелевского отражения во вносимые потери пренебрежимо мал, тем не менее именно френелевское отражение является главным фактором обратных потерь. Значительное уменьшение зазора достигается при сферической поверхности торцов, что позволяет обеспечить физический контакт (phisical contact, PC) волокон. Почему не использовать плоскую поверхность торцов? Потому, что на практике создание очень близких к нормали поверхностей затруднительно. Более вероятно, что торцы обоих наконечников будут иметь небольшие отклонения, но вполне достаточные, чтобы образовался зазор между сердцевинами волокон, рис.7 а. Так, отклонение на угол φ = 0,05° между плоскостями наконечников приводит к зазору около 1 мкм (диаметр наконечника 2,5 мм). При сферической поверхности торцов соприкосновение всегда происходит в окрестности светонесущей сердцевины волокон, рис.7, б.

Рис. 7. Типы контактов соединителей: а) плоская  поверхность; б) сферическая поверхность - физический контакт (PC); в) наклонная  сферическая поверхность -угловой физический контакт (АРС)

   Существуют три градации физического контакта, отличающиеся уровнем потерь на обратном отражении: PC < -30 дБ; Super PC < -40 дБ; Ultra PC < -50 дБ. Из табл. 1 можно оценить, какие зазоры соответствуют этим градациям.

   Радиус кривизны R при PC-соединении может находиться в диапазоне от 15 до 25 мм. Причиной различных значений является не технология процесса полировки, и разные требования, предъявляемые к разным конструкциям и элементам соединителей (например, к керамическим и металлическим наконечникам). Обратное рассеяние может быть еще больше уменьшено при использовании углового (наклонного) физического контакта (angled PC, АРС), рис.7 в. При наклонном торце даже в том случае, когда нет физического контакта, сильный отраженный сигнал не распространяется обратно по сердцевине волокна, а попадает в оболочку. Угол наклона θ наконечника определяется как угол между осью световодной сердцевины и нормалью к плоскости, касательной в точке поверхности, где находится сердцевина, рис. 7 в. Потери на обратном отражении для АРС обычно меньше -60 дБ, а типичные значения могут быть -75 дБ.

   Радиус кривизны R для АРС может находиться в диапазоне от 5 до 15 мм. Уменьшение радиусов кривизны по сравнению с PC объясняется тем, что меньший радиус кривизны обеспечивает большую вариацию угла Δθ=θ1-θ2 между наконечниками при сохранении физического контакта.     При использовании ступенчатого одномодового волокна угол наклона θ составляет 8°, что приводит к потерям на обратное отражение в районе -70 дБ. Что касается волокна со смещенной дисперсией, то оно имеет большие числовые апертуры по сравнению со ступенчатым. Поэтому при использовании одномодового волокна со смещенной дисперсией для того, чтобы обеспечить такие же низкие потери на обратном отражении, угол наклона делают больше - стандартизировано значение 12°. Из-за более сложной процедуры изготовления стандарт АРС не получил еще достаточного распространения. Однако в широкополосных абонентских сетях НРС, а также в ультраскоростных оптических магистралях (до 1 Гбит/с и более) рекомендуется использование стандарта АРС. К росту обратного отражения ведет большое количество микротрещин на торцевой поверхности волокна. Уменьшать их количество можно, выбирая оптимальную технологию полировки поверхности наконечника. Уровень оптической мощности, поступающей на вход от энергетического потенциала системы, потерь мощности в 0В, потерь мощности в разъемных и неразъемных соединителях. Потери мощности в 0В нормируются и составляют, например, во втором окне прозрачности 0,36 дБ/км, а в третьем окне прозрачности 0,22 дБ/км (берутся из паспортных данных ОК).

Потери  мощности в неразъемном соединителе  нормируются и составляют 0,1 дБ. Потери в разъемном соединителе определяются суммой  Аi = Σαii = 1,2,3,4

где а1 - потери вследствие радиального смещения в стыке 0В;  а2 - потери на угловое рассогласование; а3 - потери на осевое рассогласование; а4 - неучтенные потери.

Потери вследствие радиального смещения в одномодовом волокне 0В рассчитываются по формуле: 
 
 
 

где δ- величина максимального радиального  смещения двух OB; d -параметр, определяющий диаметр моды 00В.

Рис.8. Радиальное смещение. 

Угловое рассогласование 0В также приводит к существенным оптическим потерям.

где NA - апертура волокна (берется из предыдущих расчетов).