3.3. ОПТИМАЛЬНАЯ ДЛИНА ВОЛНЫ ДЛЯ КВАРЦЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов изготовления волокна, имеет смысл оценить с точки зрения свойств волокна достоинства использования различных длин волн в оптических системах связи. Сделаем это в предположении, что, если потребуется, соответствующие полупроводниковые источники излучения и фотодетекторы могут быть изготовлены. Основными характеристиками системы связи являются полоса пропускания и расстояние между ретрансляторами, а определяющими параметрами волокна — дисперсия и потери. Из приведенных на рис. 3.3 кривых видно, что в волокне с малыми потерями минимальное затухание имеет место на длинах воли 0,9; 1,0; 1,2;

1.3 и 1,55 мкм. Если водяные пары могут быть удалены из волокна, то при использовании кварца, легированного германием, затухание на 1,3 и 1,55 мкм может быть существенно меньше, чем в области 0,85 мкм, соответствующей самым распространенным источникам излучения из арсенида галлия. Отсюда следует, что имеется сильный стимул для использования более длинноволнового излучения. Напомним (см. § 2.2.3), что минимум потерь имеет место в окрестности 1.3 мкм. Таким образом, вопрос состоит в том, какая из длин волн лучше — 1,3 или 1,55 мкм.

Чтобы проиллюстрировать наше рассмотрение, мы использовали некоторые упрощающие предположения и рассчитали расстояния между ретрансляторами, получаемые при различных скоростях передачи данных, для ряда гипотетических систем. Результаты представлены на рис. 3.6 и 3.7. Расчеты выполнены для ступенчатого, градиентного и одномодового волокон и длин волн излучения 0,9; 1,3 и 1,55 мкм. Рассмотрены как лазерные источники, так и светодиоды, а для полноты картины приводятся также результаты расчетов для полимерных волокон с кварцевой оболочкой, описываемых в § 3.4. Последние расчеты сделаны для случая, когда потери равны 20 дБ/км, а дисперсия составляет 100 нс/км. Межмодовая дисперсия для ступенчатого градиентного и одномодового волокон принята равной соответственно 10, 0,5 и 0 нс/км. Характерные значения материальной дисперсии и потерь взяты для высококачественных волокон из кварца, легированного германием, из графиков, приведенных на рис. 2.13, б, 3.2 и 3.3. С небольшой поправкой на увеличение потерь при укладке кабеля и сращивания волокна затухание принято равным 2,0дБ/км на длине волны 0,9 мкм, а материальная дисперсия 70 пс/(кмнм). На длине волны 1,3 мкм эти величины соответственно равны (км-нм), а на . Общая дисперсия определена как результат сложения среднеквадратических

значений межмодовой и материальной дисперсий, как это сделано в табл. 2.1. Значения дисперсии основываются на длительности импульса на уровне 0,5, причем предполагают, что она приблизительно вдвое больше среднеквадратической длительности импульса Ограниченная дисперсией скорость передачи данных принята равной При этом не учтены более сложные взаимодействия между различными эффектами, вызывающими дисперсию, рассматриваемыми в гл. 6, или возможный обмен между дисперсией и мощностью сигнала, который анализируется в гл. 15. Для учета потерь в разъемах и вследствие старения элементов принят коэффициент запаса мощности в 10 дБ. Во всех случаях предполагалось, что минимально допустимая мощность на фотодетекторе равна Вероятно, это значение очень хорошо для фотодиодов и более высоких скоростей передачи данных, однако оно велико для лавинных фотодиодов и более низких скоростей передачи информации. В каждом случае также принято, что от светодиода в волокно вводится при относительной спектральной ширине излучения а от лазера при

Как видно из рис. 3.6, при указанных условиях для ступенчатого волокна возбуждаемого излучением светодиода, более длинные волны имеют преимущество лишь при скорости передачи данных менее 2 Мбит/с. Более высокая информационная пропускная способность в данном случае ограничивается межмодовой дисперсией. У хорошего градиентного волокна материальная дисперсия ухудшает характеристики системы связи с высокими скоростями передачи данных на длинах волн 0,9 и 1,55 мкм, однако она незначительна по величине при Если может быть получено и будет постоянно

Рис. 3.6. Скорости передачи данных и расстояния между ретрансляторами, реализуемые в оптических системах связи, использующих светодиоды

Рис. 3.7. Скорости передачи данных и расстояния между ретрансляторами, реализуемые в оптических системах связи, использующих лазеры

выпускаться градиентное волокно с еще лучшим профилем показателя преломления, то преимущество длины волны 1,3 мкм в будущем увеличится. В частности, в таком случае дешевая и надежная система связи, использующая светодиод с -фотодиодом, могла бы обеспечить увеличение расстояния между ретрансляторами до 20 км при скорости передачи данных до 300 Мбит/с.

Как можно видеть из рис. 3.7, использование лазерных источников на длине волны 1,55 мкм также дает преимущества при малых скоростях передачи данных. При более высокой информационной пропускной способности независимо от длины волны начинает преобладать межмодовая дисперсия как в ступенчатых, так и в градиентных волокнах. По причинам, которые позже будут рассмотрены в гл. 5, более сложная ситуация возникает при использовании одномодовых волокон. При использовании обычного лазерного источника излучения , работающего на длинах волн 0,9 и 1,55 мкм, информационная пропускная способность системы связи будет ограничена дисперсией, если скорость передачи данных превысит Это обеспечивает преимущество в 100 Мбит/с для системы, работающей на длине волны 1,3 мкм, которая всегда ограничена по затуханию. Однако лазеры можно сделать работающими на одной продольной моде и в этом случае 7 может стать менее 0,0001. При этих условиях материальная дисперсия становится малой даже на что позволяет воспользоваться преимуществом минимального затухания на этой длине волны (штриховая кривая на рис. 3.7).

Во всем мире ведутся интенсивные исследования по разработке более длинноволновых источников излучения, которые по мощности и надежности будут соответствовать излучателям из арсенида галлия,

и длинноволновых фотодетекторов, эффективность (КПД) и шумовые характеристики которых были бы на уровне кремниевых диодов. Некоторые из этих работ рассматриваются в последующих главах. Имеются все основания полагать, что значительная часть оптических систем связи будущего будет использовать оптическое излучение с длиной волны в свободном пространстве