Какие диапазоны длин волн являются окнами прозрачности

5. Окна прозрачности. Коэффициент яркости. Коэффициент спектральной яркости (источник Чандра, с.27)

Основным источником электромагнитного излучения является Солнце. Прежде чем солнечное излучение достигнет Земли, оно должно пройти через атмосферу. Выделяют три основных типа взаимодействия излучения с атмосферой: поглощение, перенос и рассеивание. Излучение, прошедшее через атмосферу, затем отражается или поглощается земной поверхностью (рис.2.2).

Рис. 2.2. Взаимодействие излучения с веществом

Поглощение и перенос излучения в атмосфере

При распространении электромагнитного излучения через атмосферу оно частично поглощается молекулами различных газов. Наибольшей способностью к поглощению солнечного излучения обладают озон (О₃), пары воды (Н₂0) и углекислый газ (С0₂). На рис.2.3 показана кривая прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн от 0 до 22 мкм.

Рис. 2.3. Окна прозрачности атмосферы

Видно, что примерно половина этого спектрального диапазона является совершенно бесполезной с точки зрения дистанционного зондирования земной поверхности, просто потому, что соответствующее излучение не может пройти через атмосферу. Для дистанционного зондирования используют только те диапазоны длин волн, которые лежат вне основных интервалов поглощения. Такие диапазоны называются окнами прозрачности атмосферы (отображены на графике белым цветом). Они представляют собой такие участки спектра электромагнитного излучения, которые не поглощаются атмосферой. При съемке поверхности Земли из космоса учитывают этот факт, а потому, съемку проводят только в окнах прозрачности.

1) «большое окно»: 0,3-1,3 мкм (видимый диапазон);

2) 1,5-1,8 мкм (инфракрасный диапазон);

3) 2,0-2,6 мкм (инфракрасный диапазон);

4) 7,0-15,0 мкм (тепловой инфракрасный диапазон);

5) 0,5 мм и более 10м (микроволновый и радиодиапазон — наибольшая прозрачность).

В атмосфере также происходит рассеивание лучей. Существует рассеяние Релея, Ми, неселективное (подробнее см.

Источник: Шалькевич, с. 48

Атмосферная дымка (эффект рассеивания лучей) наиболее сильно проявляется в синей, голубой зонах спектра (0,38 — 0,5 мкм). Она снижает контраст изображения, искажает цвет объектов.

Поэтому в современном дистанционном зондировании при съемки поверхности Земли голубой диапазон не используется.

Далее источник: Шалькевич. С.39

5а. Коэффициент спектральной яркости

Окно прозрачности

Окно́ прозра́чности (англ. Transmission Window, Telecom Window) — диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в среде, в частности — в оптическом волокне. Стандартное ступенчатое оптическое волокно (SMF) имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности [1] , а также оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне. Для других типов оптического волокна диапазон прозрачности может быть намного шире, например, в кварцевом оптоволокне полоса пропускания может охватывать весь видимый диапазон, а также ближний и средний инфракрасные.

Неоднородность затухания света в оптическом волокне в разных диапазонах длин волн обусловлено неидеальностью среды, наличием примесей, резонирующих на разных частотах.

Затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина — 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм, поэтому третье окно прозрачности используется для организации связи на большие расстояния. Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше, однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия, поэтому второе окно используется на городских и зоновых сетях небольшой протяжённости. Первое окно прозрачности используется в офисных оптических сетях; использование этого окна прозрачности незначительно.

1 Физическая основа явления
2 История разработки и использования окон прозрачности
3 См. также
4 Примечания

Обозначение	Диапазон, нм	Русское название	Английское название
O	1260…1360	Основной	Original
E	1360…1460	Расширенный	Extended
S	1460…1530	Коротковолновый	Short wavelength
C	1530…1565	Стандартный	Conventional
L	1565…1625	Длинноволновый	Long wavelength
U	1625…1675	Сверхдлинноволновый	Ultra-long wavelengh

— Первое окно прозрачности на 800-900 нм. Лазерные диоды и светодиоды (LED) на GaAs / AlGaAs основе выступали в качестве передатчиков, и кремниевые фотодиоды были пригодны для приемников. Однако потери волокна являются относительно высокими в этом регионе, и волоконные усилители не очень хорошо разработаны для этой области спектра. Таким образом, первое окно прозрачности подходит только для передачи на короткие расстояния.
— Второе окно использует длину волны около 1,3 мкм, где потери кварцевых волокон гораздо ниже, и хроматическая дисперсия волокон является очень малой, так что дисперсионные расширение импульсов сводится к минимуму. Это окно изначально использовалось для передачи данных на дальние расстояния. Однако, волоконные усилители на 1,3 мкм (на основе, например, на стекла, легированного празеодимом) не так хороши, как их 1,5-мкм коллеги на основе эрбия. Кроме того, низкая дисперсия не обязательно идеально подходит для дальних передач, так как это может увеличить эффект оптической нелинейности.
— Третье окно, которое в настоящее время очень широко используется, использует длину волны около 1,5 мкм. Потери кварцевых волокон являются самыми низкими в этом регионе, и доступны легированные эрбием усилители волокна, которые обеспечивают очень высокую производительность. Дисперсия волокна, как правило, аномальная, но может быть адаптирована с большей гибкостью (со смещенной дисперсией волокна).

Обозначение	Русское название	Английское название	Диапазон
O	основной	Original	1260–1360 nm
E	Расширенный	Extended	1360–1460 nm
S	Коротковолновый	Short wavelength	1460–1530 nm
C	Стандартный	Conventional	1530–1565 nm
L	Длинноволновый	Long wavelength	1565–1625 nm
U	Сверхдлинноволновой	Ultra-long wavelengh	1625–1675 nm

Второе и третье окно прозрачности изначально разделено выраженным пиком потери около 1,4 мкм, но они могут быть эффективно соединены с усовершенствованными волокнами, с низким содержанием ОН, которые не проявляют этого пика. Окна прозрачности и спектральные диапазоны оптического волокна Окном прозрачности оптического волокна называют волновую ширину в определенном диапазоне, где затухание лазерного сигнала имеет наименьшее значение. Таких окон прозрачности оптоволокна выявлено три (Рис.1) и соответственно определены оптимальные инфракрасные волны – 850 нм,1310 нм и 1550 нм, на которых в основном проектируется вся активная и пассивная приемо-передающая аппаратура для ВОЛС. Длину волны 850 нм используют для многомодового оптического волокна, 1310 нм – многомодовое и одномодовое оптическое волокно, а 1550 нм – одномодовое оптоволокно. Рис.1. Зависимость величины затухания оптоволокна от длины волны Для одномодовых оптических волокон по рекомендации ITU выделены шесть спектральных диапазонов (Рис.2).

Обозначение диапазонов	Значение диапазонов, нм	Название диапазонов
О	1260 — 1360	основной
Е	1360 — 1460	расширенный
S	1460 — 1530	коротковолновый
С	1530 — 1565	стандартный
L	1565 — 1625	длинноволновый
U	1625 — 1675	сверхдлинноволновый

11.1.3Окна прозрачности оптического волокна

Окно́ прозра́чности — диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в оптическом волокне. Стандартное ступенчатое оптическое волокно (SMF) имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности, а также оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне.

11.2Спектральное уплотнение каналов wdm

Традиционные технологии телекоммуникаций позволяют по одному оптическому волокну передать только один сигнал. Суть же технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных сигналов SDH по одному волокну, а, следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи.

Спектральное уплотнение каналов (англ. Wavelength-division multiplexing, WDM, буквально мультиплексирование с разделением по длине волны) — технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.

Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2009 году достигнута скорость 15,5 Тбит/с), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон — для передачи в прямом и обратном направлениях).

Принцип работы систем со спектральным уплотнением заключается в следующем. В простейшем случае каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из частотного плана (рис. 33)

Рис. 33 – Спектральное разделение каналов.

Все эти сигналы перед тем, как вводиться в оптическое волокно, объединяются мультиплексором (MUX), на приемном конце сигналы разделяются демультиплексором (DEMUX). Здесь, так же как и в SDH сетях, мультиплексор является ключевым элементом.

Оптические интерфейсы поддерживают все протоколы в диапазоне от 30 Мбит/с до 2,5 Гбит/с, включая OC-3/STM-1, OC-12/STM-4, и OC-48/STM-16, Gigabit Ethernet SX, Gigabit Ethernet LX, Fast Ethernet, FDDI, ATM, ESCON, FICON, Fiber Channel, Coupling Link, а также любой частный протокол, работающий в указанном диапазоне.

Рис. 34 – Поддерживаемые протоколы

Рабочие длины волн оптического рефлектометра (OTDR)

Важнейшим параметром при выборе оптического рефлектометра является набор его рабочих длин волн. Конечно, чем больше рабочих длин волн – тем лучше. Однако каждая новая длина волны – это удорожание прибора, соответственно необходимо подбирать прибор только с теми характеристиками, которые действительно нужны в работе.

Причем если одномодовый кабель (SM) измеряется каждый день, а диагностика многомодового (MM) необходима один – два раза в год, стоит задуматься, необходимо ли покупать прибор для диагностики одномодового и многомодового волокна. Возможно для диагностики коротких участков многомодового кабеля будет достаточно и визуализатора повреждений? Если все же принято решение приобретать рефлектометр для диагностики и многомодовых ВОЛС, то в таких случаях оправдана покупка двух отдельных приборов: профессионального рефлектометра для диагностики одномодового кабеля (например Greenlee 930XC-20C), и простого — для работы с многомодовым (Например ТОПАЗ 7101-AR).

Существуют приборы, совмещающие в себе средства диагностики SM/MM (850/1300/1310/1550 нм). К ним относятся: FOD-7005-035, EXFO AXS-110-12CD-23B-XX, Grandway GRW-FHO5000-MD21, Grandway GRW-FHO5000-MD22. Вместе с тем более универсальными являются модульные решения на базе платформ VIAVI и EXFO. В них можно устанавливать различные модули рефлектометров, измерителей мощности, анализаторов спектра и т.д. Причем дополнительные модули можно заказать и в ходе эксплуатации.

Основными рабочими длинами волн являются:

Длины волн 850 и 1300 нм используются для диагностики многомодового оптического кабеля. Чаще всего используются приборы с поддержкой обеих длин волн, но для удешевления конструкции поставляются и с одной длиной волны, например только 850 нм.
Для тестирования одномодовых волокон чаще всего применяют рефлектометры с рабочими длинами волн 1310 и 1550 нм. Так же как и в предыдущем случае, возможно применение рефлектометра и с одной длиной волны, однако в этом случае будет невозможно идентифицировать макро изгибы волокна, которые выглядят на рефлектограмме так же как и сварные соединения, но зачастую вносят большие потери. Если все же принято решение использовать OTDR с одной рабочей длиной волны – лучше использовать длину 1550 нм, так как макро изгибы на ней будут более заметны, чем на длине волны 1310 нм. Более подробно макро изгибы описаны в статье «Макро изгиб оптического волокна – причины и последствия».
Рабочая длина волны 1490 нм используется для диагностики сетей PON, в которых она используется для передачи данных и голоса от оператора к абоненту. (Более подробно технология PON описана в статье «Архитектура сети доступа. Распространенные и перспективные технологии»). При эксплуатации таких сетей многие сталкиваются с «потемнением волокна», когда его погонное затухание начинает увеличиваться. Причем повышение затухания будет разным на разных длинах волн. Так, на длине волны 1490 нм могут быть большие потери, а при измерении на длине волны 1550 нм этого может быть и не видно. Стоит заметить, что проведение измерений PON сети на длине волны 1490 нм предполагает отключение активного оборудования от линии.
Для диагностики активной PON без отключения активного оборудования применяются рефлектометры с активной длиной волны 1625 нм с фильтром. Эта длина волны выбрана потому, что находится вне диапазона рабочих длин PON сети. Фильтр имеет в этом случае очень важное значение – он не пропускает в прибор сигналы, которые передаются в PON, что собственно и позволяет проводить ее диагностику. Вместе с тем, некоторые производители предлагают рефлектометры с рабочей длиной волны 1625 нм без фильтра (не афишируя этого). На что они рассчитывают, для автора остается загадкой.
В ВОЛС с волновым уплотнением (WDM) длина волны 1625 нм уже используется, поэтому для диагностики таких линий применяется рабочая длина волны 1650 нм с фильтром.

Стоит также отметить, что сигнал, распространяющийся в волокне на разных длинах волн – по разному затухает, поэтому при одинаковой мощности лазера на разных длинах волн рефлектометр может иметь различный динамический диапазон.

СМ. ТАКЖЕ:

Принцип работы оптического рефлектометра (OTDR)
Мертвые зоны оптических рефлектометров (OTDR)
Поиск и устранение неисправностей на волоконно-оптических системах с помощью оптического рефлектометра 930XC
Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в оптическом волокне
Макро изгиб оптического волокна – причины и последствия
Отражение от коннектора – хорошо или плохо?
Окно прозрачности оптического волокна.