Виды потерь в волоконно-оптических системах связи и методы их минимизации

Для всех оптических систем связи фундаментальной является проблема потерь, вызванных естественным уширением светового пучка в среде распространения. Интенсивность оптического излучения, измеряемая как сила света, приходящаяся на единичную площадь, подчиняется закону обратных квадратов. Это означает, что при увеличении расстояния до источника света вдвое, плотность светового потока уменьшается в четыре раза. Данный принцип легко проиллюстрировать на примере карманного фонаря, направленного на экран с различного расстояния.

Потери на прохождение оптического сигнала представляют собой другой критически важный класс затухания. Их происхождение связано с неидеальными свойствами материала оболочки волоконно-оптического кабеля. Часть световой энергии, распространяющейся в сердцевине, поглощается материалом буферного покрытия или рассеивается через него в окружающее пространство. Этот механизм приводит к необратимой утечке мощности полезного сигнала за пределы световодной жилы.

Потери на поглощение непосредственно обусловлены физико-химическими свойствами материала сердцевины волоконно-оптического кабеля. Величина этих потерь обратно пропорциональна степени оптической прозрачности кварцевого стекла или иного используемого материала. Важно отметить, что данный тип затухания носит селективный характер, то есть его величина существенно зависит от длины волны передаваемого излучения, что необходимо учитывать при проектировании оптических систем.

Особую категорию составляют потери, возникающие в местах механического соединения отрезков оптических волокон. Каждое такое соединение, будь то сварной спай или разъемный волоконно-оптический соединитель, неизбежно вносит дополнительное затухание сигнала. Выделяют несколько основных типов потерь при стыковке, среди которых ключевыми являются несовпадение геометрических параметров и оптической апертуры.

Потери, вызванные несовпадением диаметров стекловолокна, возникают при соединении кабеля с большим диаметром сердцевины (DL) с кабелем, имеющим меньший диаметр (DS). В этом случае часть светового потока из большего волокна физически не может быть принята меньшим волокном и теряется. Для количественной оценки этого вида потерь в децибельной шкале применяется специальное аналитическое выражение, приведенное в формуле (10-23).

Другой распространенный тип потерь при стыковке обусловлен рассогласованием значений числовой апертуры соединяемых оптических волокон. Числовая апертура (NA) определяет угловой сектор световых лучей, которые способно передавать волокно. Если волокно-приемник имеет меньшую апертуру (NAr), чем волокно-источник (NAt), то лучи, находящиеся вне ее углового диапазона, будут потеряны. Формула (10-24) позволяет точно рассчитать величину этих потерь.

Потери на отражение, также известные как потери Френеля, возникают вследствие наличия воздушного зазора в плоскости стыка двух волокон, что иллюстрирует Рис. 10.14а. Их физическая природа обусловлена значительной разницей между коэффициентами преломления материала стекловолокна и воздуха. Это приводит к частичному отражению световой энергии обратно в источник, что снижает мощность передаваемого сигнала.

Рис. 10.14. Механизм потерь на отражение

На данной схеме визуализируется процесс отражения светового луча на границах раздела сред: внутренней торцевой поверхности волокна и внешней стороне воздушного зазора. Обычно потери на внутреннем отражении составляют около 4%, в то время как на внешнем отражении теряется примерно 8% энергии. Комбинированный эффект существенно ослабляет полезный сигнал в точке соединения.

Любой вид отражения в оптической системе передачи может быть смоделирован аналогично отражениям в системах радиосвязи и СВЧ-технике. Изучение явления стоячих волн, подробно описанное в соответствующей литературе, помогает понять фундаментальные проблемы, вызванные отражениями сигнала. Для количественного определения мощности отраженного света используется коэффициент отражения (Γ), рассчитываемый по формуле (10-25), где n1 и n2 – коэффициенты преломления двух соприкасающихся сред.

Проблема несовпадения коэффициентов преломления в оптике полностью аналогична проблеме рассогласования импедансов в электронных линиях передачи. В обоих случаях несоответствие волновых сопротивлений приводит к отражениям и потерям мощности передаваемой энергии. Методы решения этих проблем также схожи: для минимизации отражений необходимо использовать специальные согласующие элементы.

В волоконно-оптических системах для эффективного подавления потерь Френеля применяются специальные методы согласования. Одним из наиболее распространенных решений является использование иммерсионной жидкости или оптического геля, который заполняет воздушный зазор между торцами соединяемых волокон. Как показано на Рис. 10.14б, такой гель имеет коэффициент преломления, близкий к показателю сердцевины волокна. Это позволяет радикально снизить уровень френелевского отражения, вплоть до его полного устранения, что значительно повышает эффективность всего соединения.

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.