Оптическое волокно, его классификация и параметры

Оглавление 
Введение………………………………………………………………………… 
Глава 1. Оптическое волокно, его классификация и параметры
 Оптическое волокно
1.2 Классификация оптических волокон
    1.3 Параметры оптоволоконных кабелей
1.4 Применение и преимущества оптических волокон
Глава 2. Потери в оптоволокне
    2.1 Потери в волоконныхсветоводах
    2.2 Потери при соеденении
Глава 3 Описание экспериментальной установки 
Литература ................................................................. 







































Волоконно-оптические линии связи постепенно занимают ведущую позицию в системах передачи информации, становятся важнейшим звеном в информационной структуре современного общества.
 На сегодняшний день используются два вида проводников: медные кабели и оптоволоконные кабели. Стоит отметить, что оптоволокно обладает рядом преимуществ над медным кабелем.Никакие виды элетропомех не влияют на качество передачи информации в оптическом волокне, оно и приводит к тому,  что  ОВ используется  в высоковольтных системах передачи электроэнергии, так же оно может быть размещено в любых местах, где есть очень большие импульсные или электромагнитные помехи , например, на заводах, в промышленности, телефонные станции и другие  ситуации, которые влекут за собой электромагнитные  помехи, а оптоволокно эти помехи не принимает и передача информации не зависит  от того, есть эти помехи или нет. Кроме того, обеспечивается полная гармоническая развязка между передатчиком и приемников, нам как пользователям эта информации не особа интересна, но разработчикам систем  крайне важна. ОВ не является источником проводимости электрических сигналов, и проблема решается сама собой.
Далее, нужно сказать про информационную  безопасность(убрать). Оптоволокно не только не принимает на себя никаких сигналов, но и сама не выдает в эфир ничего. Поэтому и затрудняются съем информации с оптического волокна. Чтобы все-таки это проделать нужно разделать оптический кабель, снять верхнюю оболочку, снять оболочку с модуля или тубу, взять конкретное оптическое волокно и изогнуть его и тогда, свет или излучение из ОВ выходит, информацию можно подслушать. Образуется макроизгиб, но такие изгибы очень легко вычислить с помощью обычныхрефлектомертров, поэтому очень легко решается вопрос  локализации места, где произошла  утечка информации.
Так же,оптическое волокно стало более популярным из-за маленького оптического затухания. Для примера, при использовании одного оптического усилителя позволяет передать информации до 10 мб/c на расстояние до 250 км, это достаточно много. Поэтому это оно из достоинств. Габариты и вес, тоже достоинство. ОВ намного легче, чем медный кабель.
Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации, волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Стоит отметить, что ОВ боятся радиации, но уровень радиации, который они боятся, он более страшен людям, нежели оптоволоконным кабелям.
Так же, появление микротрещин за счет водородной коррозии приводит к увеличению затухания. ОВ боится воды, но вода не так сильнои быстро  влияет на искажение информации как в медных трубах
Низкие потери при передаче сигнала позволяет прокладывать значительные по дальности участки кабеля без установки дополнительного оборудования. Оптические волокна имеют хорошую помехозащищенность, легкость прокладки длительные сроки работы кабеля практически в любых условиях.
(это динамично развивающая область , но при передаче информации происходит утечка информации, потери,)
Но несмотря на  все преимущества использования оптоволокна и  то, что процент потерь при передачи информации крайне мал, они существуют. В этом заключается актуальность данной работы.
В данном работе произведена разработка волоконно-оптической  установки, через которую по средствам разных источников проходит  излучение.   В процессе работы большое внимание было обращено к вычислениям потерь при прохождении лучей через оптоволокно. Был произведен анализ научной литературы по данному вопросу, расчеты и были выявлены результаты. Так же был проведен сравнительный анализ потерь, при прохождении через разные виды волокон и при разных источниках света.
Цели и задачи
Целью дипломной работы   является разработка учебно-лабораторного стенда для кафедры, которая в дальнейшем будет включена в учебный план  студентов. Это требует решения следующих задач:
Ознакомиться с понятием  оптоволокна, его структуры, параметров и физических свойств; выбор элементов установки ,разработка на базе проведенных исследований схемы самой установки;исследование  потерь  при прохождении излучения через данную установку;расчет и сравнительный анализ результатов, разработка на основе полученных данных методических материалов для студентов.


















ВВЕДЕНИЕ

Использование света для связи было использовано  в течение многих лет. Простые системы, такие как сигнальные огни, отражающие зеркала и, в последнее время, сигнальные лампы, обеспечивали  успешную передачу данных, но передача  была ограничена. Еще в 1880 году Александр Грэм Белл сообщил о передаче звуков на расстоянии 200 метров при помощи света. Однако, хотя некоторое исследование оптической связи продолжалось в начале XX века , его использование было ограничено мобильными, коммуникационными  каналами с малой пропускной способностью. Это было связано как с отсутствием подходящих источников света, так и с проблемой, заключающейся в том, что передача света в атмосфере ограничивается прямой видимостью, и на нее оказывают сильное воздействие такие нарушения, как дождь, снег, туман, пыль и атмосферная турбулентность. Тем не менее более низкие частоты и, следовательно, более длинные волны электромагнитных волн , т.е. радио и микроволны,оказались подходящими носителями для передачи информации в атмосфере. В зависимости от их длин волн эти электромагнитные носители могут передавать сигнал  на значительные расстояния, но ограничены в объеме информации, которую они могут передавать по их частотам. Теоретически, чем больше несущая частота, тем больше доступная передача пропускной способности и, следовательно, информационной емкости системы связи. По этой причине радиосвязь была разработана на более высоких частотах, что привело к внедрению еще более высокочастотной микроволновой и, наконец, миллиметровой передачи. Дополнительным преимуществом использования высоких несущих частот является общая способность системы связи концентрировать доступную мощность в пределах передаваемой электромагнитной волны, что дает улучшенную производительность системы. 
В начале 1960-х годов был вызван новый интерес к оптической связи с изобретением лазера. Это устройство обеспечило мощный когерентный источник света вместе с возможностью модуляции на высокой частоте. Кроме того, низкочастотная расходимость лазера позволила получить увеличенную оптическую передачу свободного пространства. Однако ранее упомянутые ограничения пропускания света в атмосфере, как правило, ограничивали эти системы для приложений на короткие расстояния. Хотя использование лазера для оптической связи свободного пространства оказалось несколько ограниченное,изобретение лазера спровоцировало огромные исследовательские усилия на изучение оптических компонентов для обеспечения надежной передачи информации с использованием световодного носителя. Предложения по передаче связи через диэлектрические волноводы или оптические волокна, изготовленные из стекла, чтобы избежать деградации оптического сигнала атмосферой, были сделаны почти одновременно в 1966 году Чарльзом. Такая система была предложена в качестве замены для коаксиальных кабельных или несущих систем передач. Первоначально оптические волокна проявляли очень высокое затухание (т.е. 1000 дБ км-1),  и поэтому  проигрывали  коаксиальным  кабелями, которые они должны были заменить (то есть от 5 до 10 дБ км-1). Были также серьезные проблемы, связанные с совместным соединением волоконных кабелей для достижения низких потерь и  возможным обеспечения выполнения процесса без особых усилий.
Параллельно с развитием волоконного волновода внимание было также сфокусировано на других оптических компонентах, которые будут представлять собой связь в оптической волоконной  системе. Поскольку оптические частоты сопровождаются чрезвычайно малыми длинами волн, для разработки всех этих оптических компонентов требовались новые технологии.  Вследствие с этим, были спроектированы и изготовлены полупроводниковые оптические источники (то есть инжекционные лазеры и светоизлучающие). Первоначально полупроводниковые лазеры работали не продолжительно , в лучшем случае, несколько часов, но значительные успехи в структуре устройства позволили увеличить продолжительность срока работы до 1000 часов и 7000 часов.Эти устройства первоначально были изготовлены из сплавов арсенида галлия (AlGaAs), который излучался в ближней инфракрасной области от 0,8 до 0,9 мкм. Впоследствии вышеуказанный диапазон длин волн был расширен до 1,1-1,6 мкм с использованием других полупроводниковых сплавов , чтобы воспользоваться улучшенными  рабочими характеристиками, отображаемые оптическими волокнами в этом диапазоне.Встраиваемая решетка InGaAsP, соответствующая подложке InP, доступна с 80-х годов  с прогнозируемым средним сроком службы свыше 25 лет. 
Следовательно, технология выращивания и изготовления материалов была разработана специально для телекоммуникационных приложений. Кроме того, для этих приложений такие лазеры были  снабжены термоэлектрическим охладителем вместе с контрольным фотодиодом в пакете устройства, чтобы облегчить текущий контроль температуры.
Несмотря на то, что за последние годы в волоконной технологии развивались быстрые изменения, некоторые ранее предпочтительные области интереса, такие как применение фторидных волокон для более длинных длина волны в середине инфракрасного (от 2 до 5 мкм) и дальнем инфракрасном (от 8 до 12 мкм) регионы снизились из-за того, что они не продемонстрировали практически теоретическипредсказанные, чрезвычайно низкие потери волокон в сочетании с появлением оптических усилителей,пригодных  для использования с волокнами на основе диоксида кремния.
Важное развитие, однако, касается открытия феномена фотонных запрещенных зон, которые могут быть созданы в структурах, распространяющих свет, таких как кристаллы или оптических волокон. Одна конкретная форма фотонного кристаллического волокна, например, включает микроструктурированная регулярная решетка воздушных отверстий, проходящих вдоль ее длины.
Таким образом, высокопроизводительная, надежная волоконно-оптическая связь теперь широко используются в рамках всемирной телекоммуникационной сети и во многих других локализованных областях применения связи.





Глава 1. Оптическое волокно, его классификация и параметры
 Оптическое волокно
Оптическое волокно (ОВ) представляет собой цилиндрическую многослойную кварцевую нить, состоящую из сердцевины, оболочки и одного или нескольких защитных покрытий (рис. 1.1).

Рис. 1.1.1. Структура оптоволокна.
    Сердцевина и оболочка изготавливаются из плавленого кварца SiO2. Обычно оболочка ОВ изготавливается из чистого кварца, имеет постоянный показатель преломления n2 и покрыта защитным слоем из акрилатного лака, а сердцевина для обеспечения требуемого профиля показателя преломления n1 легируется примесями (GeO2, P2O5), которые увеличивают показатель преломления. Размеры сердцевины и оболочки ОВ стандартизованы. Обозначаются размеры ОВ следующим образом: диаметр сердцевины / диаметр оболочки.
Сигналы передаются передаются по оптическому волокну. Для того, чтобы удержать свет в оптоволокне, показатель преломления в центре ОВ должен быть выше, нежели по краям.Такая структура проиллюстрирована на рисунке 1.1.2, которая показывает прозрачное ядро с показателем преломления n1, окруженным прозрачной оболочкой с  более низким  показателем  преломления n2. Облицовка поддерживает структуру волновода, а также, и поскольку имеет более плотную толщину, существенно уменьшает потери излучения, выходящий из оболочки. Показатель преломления оболочки оптоволокна -это постоянная величина,у сердцевины же показатель преломления может меняться по по определенному закону, что называется профилем показателя преломления или по-другому, закон изменения показателя преломления в поперечном сечении оптического волокна. Так же профиль показателя преломления можно разделить на ступенчатый и градиентный. (рис. 1.1.2).

Рис. 1.1.2. Ступенчатый и градиентный профили показателя преломления.
На границе сердцевины и оболочки может наблюдаться явление полного внутреннего отражения. Если луч из оптически более плотной среды переходит в менее плотную (то есть n1>n2, ), при некотором угле падения  угол преломления будет равен  (луч е на рис. 1.1.3а). При дальнейшем же увеличении угла падения  преломленный луч исчезнет (лучи f и g на рис. 1.1.3).

Рис.1. 1.3. Полное внутреннее отражение.
       Следует обратить внимание на то, как излучение распространяется в самом оптоволокне. Чтобы рассмотреть распространение света в оптическом волокне с использованием модели теории лучей,необходимо учитывать показатель преломления диэлектрической среды. Преломление и индекс среды определяется как отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде. Луч света движется медленнее в  более плотной среде, а показатель преломления дает меру этого эффект. Когда луч падает на границу раздела между двумя диэлектриками разного преломления (например, стекло-воздух), происходит рефракция, как показано на рис. 1.1.4 (а). Углы падения ?1 и преломления ?2 связаны друг другу и показателям преломления диэлектриков по закону преломления Снелла (или Снеллиуса, в котором говорится, что: 
n1 sin ?1 = n2 sin ?2(1.1)

Рисунок 1.1.4 Световые лучи, падающие на интерфейс с высоким и низким показателем преломления (например,стекло-воздух): (а) преломление; (б) предельный случай преломления, показывающий критический луч под углом ?c; (c) полное внутреннее отражение, где ?>?c
sin?1/sin ?2=n1/n2                                                (1.2)
На рис. 1.4 (а) также можно заметить, что небольшое количество света отражается назад в исходную диэлектрическую среду (частичное внутреннее отражение). Поскольку n1 больше n2, угол преломления всегда больше угла падения. Таким образом, когда угол преломления составляет 90 °, а преломленный луч возникает параллельно границе раздела между двух сред, угол падения должен быть меньше 90 °. Это предельный случай преломления, и угол падения теперь известен как критический угол?c, как показано на рисунке 1.4 (b). Из уравнения (2.1) значение критического угла определяется выражением:
Sin?с=n2/n1                                                              (1.3)
При углах падения больше критического угла свет отражается обратно в(полное внутреннее отражение) с высокой эффективностью (около 99,9%). Следовательно, на рис. 1.4 (с) может наблюдаться полное внутреннее отражение на границе раздела между двух сред с различными показателями преломления.


                        Рис. 1.1.5 Передача  светового луча в оптическом волокне
Это механизм, при котором свет имеет достаточно маленький угол ,может рассматриваться как свет,  распространяющийся вниз по оптическому волокну с низкой потерей. Рисунок 1.5  иллюстрирует передачу светового луча в оптическом волокне через серию полных внутренних отражений на границе кремнезема.  Луч имеет угол падения ? на границе раздела, который больше критического угла и отражается под одним под тем  же углом к ??нормали. Световой луч, показанный на рис. 1.5, известен как меридиональный луч, проходящий через оси сердечника волокна. Этот тип луча является самым простым для описания и обычно используется при иллюстрации основных свойств передачи оптических волокон. 
 Классификация оптических волокон
Оптические волокна могут быть классифицированы двумя способами по параметрам: 
1) материал, из которого сделано волокно; 
2) индекс преломления в ядре и модовая структура света. 
   Поговорим сначала о материале. Стеклянные волокна имеют как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку. Стекло, используемое в данном типе волокон, состоит из сверхчистого сверхпрозрачного диоксида кремния или плавленого кварца. В стекло добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления. Стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой (PCS) имеют стеклянное ядро и пластиковую оптическую оболочку. Их характеристики, хотя и не столь хорошие, как у полностью стеклянного волокна, являются вполне приемлемыми. Пластиковые волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку. По сравнению с другими видами волокон пластиковые имеют ограниченные возможности с точки зрения затухания и полосы пропускания. Однако низкая себестоимость и простота использования делают их привлекательными там, где требования к величинам затухания и полосе пропускания не столь высоки. Электромагнитная невосприимчивость и секретность передачи информации по пластиковым волокнам делают их применение оправданным. 
   Пластиковые волокна являются достаточно прочными, с малым радиусом изгиба и способностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Этот тип волокон находит применение в автомобилестроении, музыкальных системах, различной бытовой технике.
    Еще один тип классификации –это индекс преломления и модовая структура света. В соответствии с этой классификацией на рис. 1.2.1. показаны три основные особенности волокон. 
   
   Рис. 1.2.1. Типы распространения света в волокне
   Первая особенность — различие входного и выходного импульсов. Уменьшение амплитуды импульса связано с затуханием его мощности. Расширение импульса связано с конечной полосой пропускания волокна и ограниченной информационной емкостью. Вторая особенность — траектории лучей, возникающих при распространении света. Третья особенность — распределение значений показателей преломления в ядре и оптической оболочке для различных типов волокон. Важность каждой из перечисленных особенностей будет ясна после рассмотрения всех видов волокон.
    Профиль индекса преломления отображает соотношение между индексами ядра и оптической оболочки. Существуют два основных вида профиля: ступенчатый и сглаженный (градиентный). Волокно со ступенчатым профилем имеет ядро с однородным показателем преломления. При этом показатель преломления испытывает резкий скачок на границе между ядром и оптической оболочкой. Напротив, в случае сглаженного профиля показатель преломления ядра не является однородным: показатель максимален в центре и между ядром и оптической оболочкой отсутствует резкий скачок показателя преломления. 
   В соответствии с данной классификацией существует три вида оптических волокон:
    1. Многомодовое волокно со ступенчатым индексом (обычно называемое волокном со ступенчатым индексом);
    2. Многомодовое волокно со сглаженным индексом (волокно со сглажен-ным индексом); 
   3. Одномодовое волокно со ступенчатым индексом (одномодовое волокно). Характеристики каждого из типов волокон в существенной степени определяются областью применения. 
   Волокно со ступенчатым индексом 
   Многомодовое волокно со ступенчатым индексом – наиболее простой тип волокон. Имеет ядро диаметром от 100 до 970 микрон и может быть чисто стеклянным, PSC или пластиковым. Данный тип волокна является наиболее распространенным, хотя и не обеспечивает максимальную полосу пропуска-ния и минимальные потери. 
   Поскольку свет испытывает отражение под разными углами на разных траекториях (в различных модах), длина пути, соответствующая различным модам, тоже отличается. Таким образом, различные лучи затрачивают меньше или больше времени на прохождение одной и той же длины волокна. Лучи, которые движутся вдоль центральной оси ядра без отражений, достигают противоположного конца волокна первыми. Косые лучи появляются позднее. Свет, попадающий в волокно в одно и то же время, достигает противоположного конца в различные моменты времени. Сетевой импульс расплывается по времени. 
   Это расплывание называется модовой дисперсией. Импульс света, который имел первоначально узкий, строго определенный профиль, в дальнейшем расширяется во времени. Дисперсия может быть обусловлена несколькими причинами. Модовая дисперсия возникает в результате различных длин траекторий, соответствующих различным модам волокна. 
   Типичное значение модовой дисперсии для волокна со ступенчатым профилем показателя преломления составляет от 15 до 30 нсек/км. Это означает, что лучи света, попадая в волокно одновременно, достигают противоположного конца волокна длиной в один километр с интервалом от 15 до 30 наносекунд. При этом первыми приходят лучи, двигающиеся вдоль центральной оси. 
   15 или 30 наносекунд могут показаться не столь уж большим интервалом времени, однако именно модовая дисперсия ограничивает возможную полосу пропускания оптического волокна. Расплывание импульса приводит к перекрыванию крыльев соседних импульсов. Вследствие этого импульсы трудно отличить один от другого, а заключенная в них информация теряется. Уменьшение дисперсии приводит к увеличению полосы пропускания. 
   Волокно со сглаженным индексом 
   Одна из возможностей уменьшения модовой дисперсии — использование сглаженного профиля показателя преломления. В этом случае ядро состоит из большого числа концентрических колец, похожих на годовые кольца дерева. При удалении от центральной оси ядра показатель преломления каждого слоя снижается.
    И так как свет движется быстрее по среде с меньшим показателем преломления, то чем дальше расположена траектория светового луча от центра, тем быстрее он движется. Каждый слой ядра отражает свет. В отличие от ситуации со ступенчатым профилем показателя преломления, когда свет отражается от резкой границы между ядром и оптической оболочкой, здесь свет постоянно и более плавно испытывает отражение от каждого слоя ядра. При этом его траектория отклоняется к центру и становится похожей на синусоидальную. Лучи, которые проходят более длинные дистанции, делают это большей частью по участкам с меньшим показателем преломления, двигаясь при этом быстрее. Свет, распространяющийся вдоль центральной оси, проходит наименьшую дистанцию, но с минимальной скоростью. В итоге все лучи достигают противоположного конца волокна одновременно. Использование сглаженного про- филя показателя преломления приводит к уменьшению дисперсии до 1 нсек/ км и менее. 
   Популярные виды данного типа волокон имеют диаметры ядер 50, 62,5 и 85 микрон, а диаметр оптической оболочки 125 микрон. Эти волокна используются там, где требуются широкие полосы пропускания, в частности в пере- даче телевизионного сигнала, локальных сетях, компьютерах и т. д. Волокно 62,5/125 является наиболее популярным и широко распространенным. 
   Одномодовое волокно 
   Другой путь уменьшения модовой дисперсии заключается в уменьшении ядра до тех пор, пока волокно не станет эффективно передавать только одну моду. Одномодовое волокно имеет чрезвычайно малый диаметр — от 5 до 10 микрон. Стандартный диаметр переходного слоя составляет 125 микрон и выбран исходя из следующих соображений: 
   • Оптическая оболочка должна быть в десять раз толще, чем ядро одномодового волокна. Для ядра в 8 мкм она должна быть не менее 80 мкм.
    • Данный размер совпадает с размером оптической оболочки для волок- на со ступенчатым профилем показателя преломления, что обеспечивает стандартизацию размеров волокон. 
   • Данный выбор облегчает монтажные работы, так как делает волокно менее хрупким, а его диаметр достаточно большим, что позволяет обрабатывать волокно вручную. Поскольку данное волокно переносит только одну моду, модовая дисперсия в нем отсутствует. 
   Одномодовое волокно позволяет легко достичь ширины полосы пропуска-ния от 50 до 100 ГГц-км. В настоящее время волокна имеют полосы пропускания в несколько гигагерц и позволяют передавать сигнал на десятки километров. 
   Характеристики одномодовой системы ограничены возможностями электроники, а не волокна. Еще одно преимущество одномодового волокна заключается в том, что оно может быть проложено один раз с тем, чтобы в дальнейшем возможности передающей линии возрастали по мере развития и замены электронных устройств. Это позволяет экономить средства на прокладке новой наиболее современной передающей линии и добиваться увеличения скорости передачи наиболее экономным способом.
1.3 Параметры оптических волокон
Дисперсия в оптических волокнах

Информация по ОВ передается в виде коротких оптических импульсов. Энергия импульса распределяется между всеми направляемыми модами. Скорости всех мод вдоль их траектории в ступенчатом ОВ одинаковы. Однако время, которое им понадобится для прохождения 1 км ОВ, будет различным. На выходе ОВ импульсы отдельных мод, пришедшие в разное время, складываются, образуя более широкий, по сравнению с входным, оптический импульс (рис. 1.3.1).

Рис. 1.3.1. Траектории меридиональных лучей в ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления.
Явление уширения импульса в многомодовом ОВ называется межмодовой дисперсией, которая характеризуется величиной Dm, измеряющейся в нс/км. Если величина дисперсии известна, то уширение импульса ?t в ОВ длиной L в первом приближении определится выражением:
. (1.3.1)
Верхняя оценка величины межмодовой дисперсии: наименьшую траекторию и наименьшее время распространения tmin имеет луч, распространяющийся вдоль оси ОВ.
                                                                            (1.3.2)
Наибольшую траекторию и наибольшее время распространения tmax имеет луч, распространяющийся по ОВ, отражаясь от границы раздела сердцевины и оболочки под углом полного внутреннего отражения.
                                                         (1.3.3)
Тогда .                          (1.3.4)
Дисперсия ограничивает скорость передачи информации по ОВ.

Рис. 1.3.2. Зависимость межмодовой дисперсии от относительной разности показателей преломления сердцевины и оболочки.
С величиной межмодовой дисперсии [нс/км] связано понятие широкополосности волокна или удельной полосы пропускания B[МГц км]
(1.3.5)
Величина широкополосности для ступенчатых многомодовых кварцевых волокон ограничивается величиной 20-50 МГц км. Для градиентных многомодовых волокон широкополосность лежит в пределах 200 – 2000 МГц км.
Радикальным способом уменьшения дисперсии является переход от многомодовой передачи к одномодовой.Впервыеодномодовый режим передачи в волокне со ступенчатым профилем показателя преломления был достигнут путем уменьшения радиуса сердцевины до 5 мкм. Такие волокна называют стандартными одномодовыми волокнами.
Важным нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр w или радиус rnм модового пятна (поля), который характеризует потери при вводе света в волокно и используются для расчетов вместо радиуса или диаметра сердцевины, его величина зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм (фактически он на 10-12% больше диаметра сердцевины).
Для одномодового ОВ распределение интенсивности поля моды можно аппроксимировать гауссовской кривой:
,                                                                    (1.3..6)

Рис. 1.3.3. Определение диаметра модового поля.
На рис. 1.3..4. показаны рассчитанные по выражениям распределения модового поля для стандартного волокна на длинах волн, которые обычно используются для связи.

Рис. 1.3.4. Распределение модового поля основной моды в стандартном волокне.
Поскольку скорость распространения света в ОВ зависит от длины волны излучения ?, разные спектральные составляющие сигнала распространяются с разной скоростью.

Рис. 1.3.5. Спектр излучения источника.
Хроматическая дисперсия состоит из двух составляющих: материальной и волноводной:
                                                   (1.3.7)
Как физическая величина измеряется в пс / (нм·км) и означает уширение импульса в волокне длиной 1 км при ширине спектра сигнала 1 нм (с учетом скорости передачи и ширины спектра источника излучения).
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления кварца n (как фазового, так и группового) или скорости распространения света в кварце  от длины волны (рис. 1.10) и пропорциональна второй производной показателя преломления по длине волны:
                                                  (1.3.8)

Рис. 1.3.6. Возникновение материальной дисперсии.
На рис. 2.7 показана зависимость материальной дисперсии от длины волны. Видно, что материальная дисперсия имеет знак и при длине волны нулевой материальной дисперсии ? = ?0mat проходит через 0.
Волноводная дисперсия Dв не связана со свойствами материала, нозависит от конструкции и размеров волновода. Ее появление связано с тем, что волна в одномодовом ОВ распространяется частично в сердцевине, частично в оболочке и показатель преломления для нее принимает среднее значение между показателями преломления сердцевины и оболочки. При изменении длины волны глубина проникновения поля в кварцевую оболочку меняется и, следовательно, меняется среднее значение показателя преломления.

Рис. 1.3.7. Хроматическая дисперсия в стандартном одномодовом волокне.

Рис. 1.3.8. Возникновение волноводной дисперсии.
Волноводная дисперсия отрицательна и с увеличением ? она уменьшается. Это позволяет, изменяя размеры и конструкцию ОВ, управлять зависимостью Dв, а, следовательно, и зависимостью Dхр от ?.
Существует такая длина волны, при которой материальная и волноводная дисперсии равны по модулю и имеют противоположные знаки, то есть хроматическая дисперсия равна нулю. Эту длину волны называют длиной волны нулевой хроматической дисперсии или просто длиной волны нулевой дисперсии ?0D.
В большинстве одномодовых ОВ расположение осей наибольшей и наименьшей скорости является случайным и расширение проходящего по ОВ импульса растет с увеличением длины L пропорционально корню квадратному из длины ОВ:
, (1.3.9)
где Dp – поляризационно-модовая дисперсия.
Для большинства одномодовых ОВ величина поляризационно-модовой дисперсии лежит в пределах 0.02 – 0.2 пс/км0.5.
Затухание в оптическом волокне
По мере распространения света в оптической среде, он, как известно, ослабевает, что носит название затухание a, которое измеряется в децибелах или неперах. При оптических измерениях:
, (1.3.10)
где P0, P1 - мощности сигнала на входе и выходе ОВ, оптического кабеля (ОК) или любого компонента волоконного тракта (ВТ).Общее или вносимое затухание ОВ можно разделить на собственное затухание и дополнительные потери.Собственное затухание обусловлено самим ОВ. Для однородного ОВ можно рассчитать коэффициент затухания ? - величину затухания на единицу длины:
, дБ/км                                                    (1.3.11)
где L - длина ОВ, км.
Собственные потери в ОВ в основном обусловлены двумя причинами: поглощением и рассеянием.
Рассеяние является фундаментальной (технологически неустранимой) причиной затухания в ОВ и носит название рэлеевское рассеяние. Его особенностью является сильная зависимость коэффициента рассеяния ?s от длины волны ? проходящего излучения:
                                                                  (1.3.12)
где ?s - коэффициент пропорциональности (0.7-0.9 дБ?мкм4/км).Зависит от материала (вида и концентрации легирующих добавок и т.п.) и технологии изготовления ОВ.
Поглощение обусловлено потерями в основном материале ОВ - кварце и в примесях. Носит резонансный характер и дает для кварца пики затухания в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. В используемом диапазоне длин волн 0.8-1.6 мкм всплески поглощения у кварца отсутствуют. Наибольший вклад в поглощение вносят гидроксильные группы OH?. Они дают мощный пик поглощения на длине волны 1.383 мкм.
К дополнительным потерям относятся потери на вводе и выводе излучения; потери, связанные с нарушениями геометрической формы ОВ и случайно расположенными структурными дефектами; изгибные потери (особенно на микроизгибах); потери в соединениях (стыках) строительных длин; потери, вызванные недостатками монтажа.
Затухание ограничивает максимальное расстояние, на которое можно передать сигнал без регенерации. Затухание ограничивает также минимальное расстояние, на которое можно передать сигнал без принятия дополнительных мер по снижению его уровня. Максимально допустимое затухание в линии определяется параметрами передающего и фотоприемного устройства.
Как видно из рис. 1.3.9, для передачи оптических сигналов может быть использован широкий участок спектра, где потери в волокнах достаточно малы. Его принято разбивать на более узкие участки – рабочие диапазоны, или окна прозрачности.

Рис. 1.3.9. Зависимость коэффициента затухания от длины волны и положение окон прозрачности в кварцевых ОВ.
Первое окно прозрачности из-за большой величины коэффициента затухания (2-2.5 дБ/км) используется в основном в локальных вычислительных сетях.
Второе окно прозрачности (О – Original, основной диапазон) используется преимущественно в городских и зоновых линиях.
Третье окно прозрачности (C – Conventional, стандартный диапазон) наиболее широко используется в магистральных линиях.
Четвертое (L – Longwavelength, длинноволновый диапазон) и пятое окно прозрачности (S – Shortwavelength, коротковолновый диапазон) вместе с третьим используются в системах спектрального уплотнения.
1.4 Применение и преимущества оптических волокон
Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Связь с использованием оптической несущей волны, направляемой вдоль оптоволокна, имеет ряд преимуществ в использовании и в эксплуатации. Кроме того, достижения в технологии на сегодняшний день превзошли даже самые оптимистичные прогнозы, создающие дополнительные преимущества. 
Огромная потенциальная пропускная способность.  Действительно, к 2000 году типичная полоса пропусканияумноженное на длину продукта для волоконно-оптической линии связи с использованием волоконных усилителей составляло 5000 ГГц км по сравнению с типичным продуктом ширины полосы пропускания для коаксиального кабеля около 100 МГц км. Следовательно, оптическое волокно уже передает сигнал , позволяя передаваться сигналу на гораздо более длинные расстояния. Хотя используемая полоса пропускания волокон будет расширяться дальше к оптическому несущему частоты, ясно, что этот параметр ограничен использованием одного оптического несущего сигнала.
 Малый размер и вес. Оптические волокна имеют очень малые диаметры, которые часто не больше диаметра человеческого волоса. Следовательно, даже когда такие волокна покрыты защитными покрытиями ,они намного меньше и намного легче, чем медный кабели.
 Электрическая изоляция. Оптические волокна, изготовленные из стекла, или иногда из пластикового полимера, являются элект.......................