Потери в волоконно-оптических системах связи: коэффициенты и расчет бюджета

В волоконно-оптических системах связи метрикой для оценки ослабления сигнала традиционно служат децибелы (дБ). Уровень затухания сигнала в стекловолокне крайне низок и напрямую зависит от используемой длины волны оптического излучения. Наименьшие потери, составляющие примерно 0,2 дБ/км, наблюдаются в инфракрасном диапазоне при длине волны 1550 нм. При переходе на длину волны 1300 нм затухание возрастает до 0,3 дБ/км, а на 850 нм достигает 1 дБ/км, что ограничивает дальность передачи на этих режимах.

Для магистральных линий дальней связи стандартом де-факто является применение одномодового стекловолокна в паре с лазерными диодами в качестве источников когерентного излучения. Выходная мощность таких лазеров обычно находится в диапазоне от 0 до +10 дБм, а их монохроматическое излучение с длиной волны 1300 или 1550 нм эффективно подавляет дисперсионные искажения. В системах же с многомодовыми волоконно-оптическими кабеля на короткие расстояния чаще применяются более доступные светоизлучающие диоды (СИД, LED).

Светоизлучающие диоды (СИД) генерируют некогерентное излучение и характеризуются существенно более низкой выходной мощностью и широким спектром. Для многомодовых волоконно-оптических кабелей на основе стекловолокна их мощность лежит в диапазоне от –20 до –10 дБм, а для кабелей на основе пластмассовых оптических волокон (ПОВ) она может достигать порядка 0 дБм. Наиболее распространены инфракрасные СИД с длиной волны около 850 нм, хотя также применяются и модели на 1300 нм, что позволяет гибко проектировать сети под конкретные требования по дальности и стоимости.

На приемной стороне волоконно-оптической системы ключевым компонентом являются фотоприемники, в качестве которых используются лавинные фотодиоды (ЛАФД, APD) и p-i-n фотодиоды. Чувствительность этих полупроводниковых приборов, определяющая минимальный уровень оптического сигнала для его уверенной регистрации, обычно находится в диапазоне от –35 до –10 дБм. Выбор между более чувствительным, но дорогим и сложным ЛАФД и надежным, экономичным p-i-n фотодиодом осуществляется на основе расчета общего бюджета мощности (optical power budget) системы.

Рассмотрим практический пример расчета бюджета мощности для системы с лазерным источником мощностью 0 дБм на длине волны 1300 нм и одномодовым волокном с затуханием 0,3 дБ/км. При передаче на 40 км потери в волокне составят 12 дБ (40 км * 0,3 дБ/км). Таким образом, мощность сигнала на входе приемника составит –12 дБм (0 дБм – 12 дБ). Для стабильной работы системы необходим минимальный запас по мощности (power margin), обычно не менее 20 дБ.

Этот запас критически важен для компенсации дополнительных факторов, неучтенных в базовом расчете. К ним относятся процесс старения (деградации) активных компонентов, приводящий к постепенному снижению мощности лазера и чувствительности фотодиода. Кроме того, существенными являются потери в местах сращивания (сплайсах) волокна, которые составляют примерно 0,1 дБ на одно соединение и суммируются по всей длине трассы. Комплексный учет всех этих параметров гарантирует надежную и долговечную работу волоконно-оптической линии связи.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.