Как уменьшить потери оптической мощности в оптоволокне?

В сфере современных коммуникаций оптическое волокно играет ключевую роль. Однако проблема устранения потерь оптической мощности при передаче по оптоволокну остается актуальной. Совокупное воздействие этих потерь в волокне снижает эффективность передачи данных по сети и значительно увеличивает затраты на управление сетью. В этой статье подробно рассматриваются различные виды потерь в оптоволокне и предлагаются практические решения для обеспечения бесперебойной и эффективной передачи данных по сети.

Что такое потери мощности в оптическом волокне?

Потери мощности в оптоволокне означают затухание или снижение силы сигнала при передаче оптического сигнала и измеряются в дБ/км, то есть обозначают потери сигнала на каждый километр оптоволоконной линии. В результате сопротивления, рассеяния, поглощения и других факторов, с которыми оптический сигнал сталкивается во время передачи, потери мощности в оптоволокне могут привести к ухудшению качества сигнала, ограничить дальность передачи, увеличить уровень сигнального шума и помех, а также повлиять на производительность и надежность системы связи. Поэтому потери мощности в оптоволокне являются одним из ключевых показателей качества оптоволоконной связи.

 Введение в стандартное затухание в оптическом волокне

Потери на поглощение  в оптическом волокне

Потери на поглощение обозначают явление, при котором физические материалы препятствуют передаче оптических сигналов (электромагнитных волн), поглощая часть оптической мощности. В оптических волокнах основным компонентом является кварц, который характеризуется электронным резонансным поглощением в инфракрасном диапазоне 8 ~ 12 μm, что приводит к поглощению мощности. Кроме того, некоторые материалы обладают собственными полосами поглощения в ультрафиолетовом спектре,  которые также распространяются на диапазон длин волн 0.7 ~ 1.1 μm. 

Истощение вследствие поглощения примесей означает воздействие вредных примесей, главным образом переходных металлов (например, железа, кобальта, никеля, меди, марганца, хрома), а также гидроксильных групп (OH) на поглощение света в оптических волокнах, что приводит к последующему истощению.

Потери на изгибах  в оптическом волокне

Потери на изгибе оптического волокна возникают, когда оптоволоконный кабель изгибается или деформируется сверх определенного порога, что приводит к снижению уровня сигнала. Это явление обусловлено взаимодействием оптического сигнала со структурой сердцевины и оболочки волокна. При передаче света по оптическому волокну чрезмерный изгиб может привести к выходу оптического сигнала из сердцевины и его поглощению оболочкой или окружающими материалами.

Влияние потерь на изгибе волокна более выражено в волокнах с меньшим диаметром сердцевины и большей разницей показателей преломления между сердцевиной и оболочкой. Кроме того, длина волны передаваемого света влияет на восприимчивость к потерям на изгибе: некоторые длины волн подвержены им сильнее других.

Потери на рассеяние в оптическом волокне

Потери на рассеяние возникают из-за небольших вариаций плотности материала волокна и неравномерного распределения показателя преломления внутри волокна, вызванных различными концентрациями таких компонентов, как кремнезем, GeO2 и P2O5. Эти различия показателя преломления вызывают локальные неоднородности, приводящие к рассеянию света. В результате часть оптической мощности рассеивается за пределы волокна, а потери мощности, обусловленные этим внутренне присущим рассеянием, известны как рэлеевские потери на рассеяние. 

С другой стороны, нам хорошо известны потери на рассеяние в волноводе. В процессе производства оптического волокна из-за технологических и технических проблем, а также некоторых случайных факторов могут возникать структурные дефекты, например неполная граница раздела сердцевины и оболочки волокна, изменения диаметра сердцевины, неравномерная округлость, остаточные пузырьки и трещины в волокне и т. д. Размер этих структурных неоднородностей значительно превышает длину волны световой волны, что приводит к независимым от длины волны потерям на рассеяние.

Вносимые потери в оптическом волокне

Вносимые потери — это снижение передаваемой мощности в системе передачи при добавлении компонента или устройства. Они выражаются как соотношение между мощностью, полученной на нагрузке до установки компонента или устройства, и мощностью, полученной на однородной нагрузке после его установки. Вносимые потери охватывают различные факторы, включая потери на поглощение, рассеяние и отражение, вызванные наличием коннекторов, соединений или других оптических компонентов.Чем ниже вносимые потери, тем лучше, например вносимые потери OM4 составляют 0.3dB, тогда как волоконно-оптический кабель OS2 вносимые потери около 0.25dB.

Формула расчета: IL = -10 * log10 (power output / power input)

Коэффициент затухания оптического волокна

Советы по расчету потерь при передаче в оптическом волокне

Точный расчет потерь в оптоволокне является важным навыком для оптимизации оптоволоконный кабель соединения. Крайне важно начать с понимания основных расчетных формул.

Распознанная формула: Общие потери в линии = затухание кабеля + потери в соединителях + затухание Opticle Loint + запас по безопасности

Ниже мы демонстрируем процесс расчёта на практическом примере.

Длина волны: 1310nm   9μm

Затухание в кабеле: 30 км x 0.4 дБ/км = 12 дБ

Потери на коннекторах: 2 x 0.3dB=0.6dB

Затухание при оптическом сращивании: 4x 0.01dB=0.04dB

Запас по мощности: 3dB

Общие потери в линии：10.5dB+1.2dB+0.4dB+3dB=15.64dB

 Влияние потерь в оптическом волокне на линию передачи

Причины потерь при передаче Ухудшение качества сигнала

Потери в оптоволокне напрямую значительно влияют на качество сигнала в системах оптической связи. При прохождении оптических сигналов по оптоволоконным кабелям они неизбежно взаимодействуют с внутренними и внешними факторами, такими как рассеяние, поглощение и дисперсия. Рассеяние отклоняет свет в разных направлениях, вследствие чего уменьшается сила сигнала. В процессе поглощения часть световой энергии поглощается, что в конечном итоге приводит к общему затуханию сигнала. Кроме того, дисперсия приводит к тому, что различные компоненты сигнала достигают места назначения в разное время, вызывая искажение и наложение сигналов.

В практических сценариях эти различные формы потерь усиливают друг друга, что приводит к уменьшению зоны покрытия сигнала, снижению скорости передачи данных и нарушению целостности данных.

Затухание в оптоволокне усугубляет ограничения по расстоянию

Аналогичным образом, затухание сигнала на расстоянии усиливает ограничения эффективной передачи. Это особенно заметно при дальней связи. По мере увеличения расстояния передачи возрастает чувствительность к внешним факторам, таким как шум и помехи сигнала, что приводит к ухудшению качества сигнала и может вызвать ошибки данных, а следовательно, не позволяет обеспечить эффективную передачу на большие расстояния.

Потери в оптоволокне приводят к увеличению сетевых расходов

Увеличение потерь сигнала означает рост сетевых расходов. Чтобы компенсировать влияние потерь в волокне, пользователям сети необходимо стратегически размещать оборудование для усиления сигнала и точки регенерации сигнала через регулярные интервалы. Эти дополнительные компоненты не только увеличивают первоначальные инвестиции в инфраструктуру, но и повышают текущие эксплуатационные расходы на обслуживание и энергопотребление. В результате проблема потерь в оптическом волокне создает экономическую нагрузку при создании и обслуживании эффективных и надежных сетей связи.

Как уменьшить потери в оптоволокне？

В предыдущем разделе мы рассмотрели некоторые негативные последствия затухания оптического волокна для передачи данных. Теперь давайте обсудим, что можно сделать для уменьшения или устранения этого затухания.

Выбор высококачественного оптоволокна: Начните с использования оптических волокон с низкими коэффициентами затухания. Для дальней связи обычно предпочтительны одномодовые волокна благодаря меньшим показателям дисперсии и затухания по сравнению с многомодовыми волокнами.

Оптимизированная конструкция волокна: выбирайте волокна с оптимизированными конструктивными характеристиками, такими как больший диаметр сердцевины и уменьшенная толщина оболочки, чтобы минимизировать потери на рассеяние и поглощение.

Эффективное усиление сигнала: Разместите оптические усилители, такие как усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA), вдоль маршрута волокна. Эти усилители выборочно усиливают оптические сигналы без внесения чрезмерного шума, компенсируя потери сигнала на больших расстояниях.

Точная сварка и установка коннекторов: Обеспечьте высококачественную сварку и соединение для минимизации потерь сигнала в точках подключения. Правильно выровненные и надлежащим образом обслуживаемые разъемы уменьшают отражения сигнала и повышают целостность сигнала.

Оптические изоляторы: Используйте оптические изоляторы для предотвращения обратных отражений, которые могут ухудшить качество сигнала. Эти устройства позволяют сигналам проходить в одном направлении, ослабляя отражения.

Малопотерные оптические ответвители и разветвители: Используйте волоконно-оптические ответвители и разветвители с низкими потерями для разделения или объединения сигналов без значительных потерь. Эти компоненты имеют решающее значение для эффективной сетевой архитектуры.

Патч-корды для согласования мод: Используйте патч-корды с согласованием мод для многомодовых волокон, чтобы улучшить условия ввода сигналов, минимизируя модовую дисперсию и потери.

Правильная прокладка кабелей: убедитесь, что оптические кабели проложены надлежащим образом и защищены от таких факторов окружающей среды, как изгибы, сдавливание и колебания температуры. Неправильное обращение с кабелем может привести к потерям из-за микроизгибов и макроизгибов.

Избегайте потерь на изгибах: Минимизируйте чрезмерные изгибы оптоволоконных кабелей, поскольку крутые изгибы могут привести к потерям на изгибах. Используйте подходящие методы организации кабелей, чтобы соблюдать минимальные радиусы изгиба.

Волокна, сохраняющие поляризацию: В приложениях, чувствительных к поляризации, таких как когерентные системы связи, используйте волокна, сохраняющие поляризацию, чтобы сохранять поляризацию сигнала и минимизировать поляризационно-зависимые потери.

Регулярное техническое обслуживание: Внедрите системы оптического мониторинга для непрерывной оценки состояния и производительности оптической сети. Регулярно проверяйте и очищайте коннекторы, места сварных соединений и другие оптические компоненты, чтобы предотвратить дополнительные потери из-за пыли и загрязнений.

В QT мы соблюдаем строгие производственные стандарты и процессы для волоконно-оптических кабелей, включая OS2, OM3, Оптоволоконный патч-корд OM4 для варианта, что позволяет нашим клиентам получать экономичные продукты с минимальными потерями в оптоволокне. Если вам что-либо понадобится, свяжитесь с инженерами QSFPTEK с сертификатами CCIE/HCIE по адресу [email protected].

Заключение

Потери в оптическом волокне в основном включают потери на поглощение, потери на изгиб и потери на рассеяние. Понимая причины возникновения этих трех форм потерь, мы можем оптимизировать соединительные компоненты, установить нормы эксплуатации и внедрить эффективные методы управления, тем самым снижая оптические потери. Кроме того, фундаментальное понимание формулы расчета потерь в линии является ключом к оптимизации передачи по оптоволокну.