Главная >> Программы

Pages: |

| 2 | 3 |

«Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Издательство Пермского национального исследовательского политехнического ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский

политехнический университет»

Институт фотоники и оптоэлектронного приборостроения

Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета 2011 1 УДК 535:530.182 ББК 22.343 Ш96 Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. А.И. Цаплин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук, доцент И.И. Крюков (ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания») Шумкова, Д.Б.

Ш96 Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2011. – 178 с.

ISBN 978-5-398-00743- Рассмотрены физические и математические основы оптики, а также принципы передачи сигнала в волоконном световоде. Исследованы варианты конструкции, технологии, производства и проектирования специальных типов оптических волокон, таких как активные, анизотропные, микроструктурированные световоды, а также световоды для волоконных лазеров.

Предназначено для студентов технических вузов, соответствует образовательным программам по направлению подготовки «Фотоника и оптоинформатика» (профиль «Волоконная оптика»). Может быть использовано аспирантами вузов соответствующих специальностей, а также специалистами, работающими в области лазерной физики, фотоники, волоконной оптики и оптоэлектронного приборостроения.

УДК 535:530. ББК 22. © ПНИПУ, ISBN 978-5-398-00743-

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ, ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ,

МАТЕРИАЛЫ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ

3.1. Общая характеристика специальных волоконных световодов........ 3.1.1. Волокна как активная среда для волоконных лазеров и усилителей

3.1.2. Волокна для накачки волоконных лазеров

3.1.3. Волокна для оптических мультиплексоров и демультиплексоров

3.1.4. Волокна для оптических модуляторов

3.1.5. Волокна для оптических фильтров

3.1.6. Волокна для компенсации дисперсии

3.1.7. Волокна для источников суперконтинуума

3.2. Активированные волокна для оптических усилителей и лазеров.... 3.2.1. Волоконные оптические усилители

3.2.2. Принцип работы эрбиевого усилителя

3.2.3. Основные элементы и характеристики эрбиевого волоконного усилителя

3.2.4. Ширина и равномерность полосы усиления

3.2.5. Преимущества и недостатки эрбиевых волоконных усилителей

3.2.6. Рамановский волоконный усилитель

3.2.7. Материалы для эрбиевых волоконных усилителей

3.3. Волоконные лазеры: материалы, технологии и применение.......... 3.3.1. Общая характеристика волоконных лазеров

3.3.2. Сравнение волоконных лазеров с другими типами лазеров.... 3.3.3. Основные элементы конструкции волоконных лазеров........... 3.3.4. Резонаторы лазерных систем

3.3.5. Активированные волокна с двойной оболочкой

3.3.6. Фотонно-кристаллические активированные волокна............... 3.3.7. Схемы волоконных лазеров

3.4. Фотоиндуцированные волоконные брэгговские решетки и их технологии

3.4.1. Брэгговские волоконные решетки показателя преломления... 3.4.2. Волоконные брэгговские решетки с переменным периодом..... 3.4.3. Фоточувствительные стекла для записи волоконных решеток

3.4.4. Методы увеличения фоточувствительности волоконных световодов

3.4.5. Типы фоточувствительности в германосиликатных световодах

3.4.6. Применение волоконных решеток в системах волоконно-оптической связи

3.4.7. Применение волоконных брэгговских решеток в схемах диодных и волоконных лазеров

3.4.8. Применение волоконных брэгговских решеток для компенсации дисперсии

3.5. Анизотропные одномодовые световоды

3.6. Фотонно-кристаллические (микроструктурированные) волокна.. 3.6.1. Общие представления о фотонных кристаллах и их свойствах

3.6.2. Свойства и применение фотонно-кристаллических волокон.. Глава 4. ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

4.1. Методы изготовления волокон с малыми потерями

4.2. CVD-процесс

4.3. Внешнее осаждение (OVD-метод)

4.4. Осевое осаждение (VAD-метод)

4.5. Внутреннее осаждение (MCVD-метод)

4.6. Размер заготовок и время, затрачиваемое на их изготовление...... 4.7. Жакетирование заготовок

4.8. Плазменное внутреннее осаждение (PCVD-метод)

4.8.1. Схлопывание опорной трубки

4.8.2. Изготовление преформы RIT

4.9. Внутреннее осаждение и плазменное жакетирование (APVD-метод)

4.10. Технология изготовления фотонно-кристаллических волокон... 4.11. Технологии изготовления волоконных решеток

4.11.1. Методы изготовления волоконных брэгговских решеток малого периода

4.11.2. Методы изготовления длиннопериодных решеток................. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

С технологией передачи данных по оптическому волокну связано множество разнообразных и часто малоизвестных физических явлений.

В настоящее время в линиях связи по всему миру уложено несколько сотен миллионов километров оптических волокон. Причем около 90 % из них приходится на долю стандартных одномодовых волокон. В России в настоящее время используются почти исключительно стандартные одномодовые оптические волокна. В то же время современное проектирование в данной технологической отрасли все большее внимание уделяет волокнам нового прогрессивного типа – специальным волоконным световодам.

Цель учебного пособия – сформировать знания, умения и навыки в области материалов и технологий волоконной оптики, включая: основы оптики волоконных световодов; основные типы оптических волокон, используемых в волоконно-оптических линиях связи, их характеристики; физические эффекты и явления в оптических волокнах; основы оптического материаловедения волоконной оптики; основные классы материалов, используемых в волоконной оптике, их характеристики и технологии синтеза; основные методы создания заготовок для вытяжки оптических волокон и технологии производства волокон, используемых в системах передачи информации, с целью последующего использования полученных компетенций при разработке, производстве и использовании материалов и технологий для приборов и устройств современной фотоники и оптоинформатики.

Книга является учебным пособием, входящим в учебно-методический комплекс по дисциплине «Специальные волоконные световоды».

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ОПТИКИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

1.1. Принцип действия волоконных световодов.

Волоконный световод (ВС) представляет собой тонкую двухслойную стеклянную нить (сердечника и оболочки), каждый элемент которой обладает различным показателем преломления. Показатель преломления (n) прозрачного вещества представляет собой отношение скорости света в вас кууме (с) к скорости света в данном веществе ( ), т.е. n =. Кроме того, показатель преломления зависит от параметров среды и рассчитывается по формуле n = µ, где и µ – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости соответственно.

Учитывая, что относительная магнитная проницаемость прозрачного вещества обычно постоянна и равна единице, показатель преломления определится для сердечника – n1 = 1, для оболочки – n2 = 2.

Показатель преломления оболочки постоянен, а сердечника в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому необходимо, чтобы n1 > n2.

Рассмотрим случай, когда луч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n1, встречает границу раздела со средой, имеющей меньший показатель преломления n2 (рис. 1.1).

В соответствии с законом Снеллиуса с меньшим показателем преломления больше, чем угол падения 1. При возрастании 1 возрастает и 2, и, поскольку 2 больше 1, 2 станет равным 90° раньше, чем 1. Угол падения, для которого преломленный луч скользит по поверхности раздела (т.е. для которого 2 = 90°), называется углом с полного внутреннего отражения. Угол полного внутреннего отражения рассчитывается по формуле (см. закон Снеллиуса, полагая, что 2 = 90°) Рис. 1.1. Распространение луча света в среде Если угол падения больше с (луч 3), то луч не заходит во вторую среду, а полностью отражается вовнутрь первой среды. Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.

В зависимости от величины угла, который образует с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рис. 1.2), возникают волны излучения 1, волны оболочки 2 и сердечника 3. В сердечнике и оболочке существует два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода, и косые, которые с осью световода не пересекаются. Здесь показаны только меридиональные лучи. Если угол падения электромагнитной волны на границу сердечник – оболочка больше угла полного внутреннего отражения, то луч полностью отражается на границе и остается внутри сердечника (луч 3).

Такое объяснение направляемости света основано на законах геометрической оптики и не учитывает свойств света как электромагнитной волны. Учет волновых свойств позволил установить, что из всей совокупности световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей с дискретными углами может образовывать направляемые волны, которые называют также волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердечник – оболочка волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и исчезают. Каждая волноводная мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.

Волны излучения рапределяются непрерывно по всей принадлежащей им области углов и образуют непрерывный спектр. Волны оболочки и волны излучения – паразитные волны, которые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию, передаваемую по сердечнику. Эти волны трудно полностью исключить при возбуждении световода. Кроме того, они также возникают на геометрических нерегулярностях световода и неоднородностях материала.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) световоды разделяют на одно- и многомодовые (рис. 1.3).

Число мод зависит от соотношения диаметра сердечника световода и длины волны и рассчитывается по формуле где а – радиус сердечника волокна; – длина волны света; – относиn2 n2 n n тельная разность показателей преломления, = 1 2 2 1 2.

Рис. 1.3. Геометрические параметры одномодовых и многомодовых волокон Так как n1 и n2 имеют очень близкие значения, номинальная величина для большинства оптических волокон находится в пределах = 0,28–2,1 %.

Достоинством одномодовых световодов являются малая дисперсия (искажение сигналов), большая информационно-пропускная способность и большая дальность передачи. Одномодовые системы являются наиболее перспективным направлением развития техники передачи информации.

В многомодовых световодах импульс на приеме уширяется и искажается. Дисперсия в многомодовых световодах существенно ограничивает полосу передаваемых частот и дальность передачи.

Для характеристик световода важное значение имеет профиль показателя преломления в поперечном сечении. Если сердечник световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световодами со ступенчатым профилем показателя преломления (наблюдается ступенька n на границе сердечник – оболочка).

Для борьбы с уширением импульсов в оптических волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления разработан другой тип многомодового волокна, который нашел гораздо более широкое применение в дальней связи – оптические волокна с градиентным профилем показателя преломления. В таких стекловолокнах показатель преломления от центра сердечника к краю изменяется плавно. Ход лучей в градиентном световоде показан на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Ход лучей в градиентном световоде: 1 – волна излучения;

Лучи теперь изгибаются в направлении градиента показателя преломления (вместо преломления либо полного отражения, как в случае волокна со ступенчатым профилем).

Показатель преломления для градиентных световодов описывается функцией где r – текущий радиус; n1 – наибольшее значение показателя преломления сердечника; g – коэффициент, определяющий вид профиля показателя преломления.

При g = формула описывает ступенчатый профиль показателя преломления. При g = 2 световоды называют параболическими, так как профиль показателя преломления описывается параболой. На практике волокна с градиентным профилем показателя преломления имеют g около 1,92 и почти параболический профиль.

Одномодовые волокна можно разделить на две категории: обычные, или волокна с несмещенной дисперсией, которые выпускаются для аппаратуры, работающей на длине волны 1,3 мкм, и волокна со смещенной дисперсией, которые выпускаются для работы на длине волны 1,55 мкм. Понятия смещенной или несмещенной дисперсии связаны с длиной волны, на которой волокно имеет наибольшую полосу пропускания.

В отличие от многомодовых волокон одномодовые волокна выпускают с различным профилем показателя преломления оболочки. При этом различают волокна с выровненной оболочкой, показатель преломления которой соответствует показателю преломления стекловолокон со ступенчатым профилем и выровнен с показателем преломления чистого кварца, и вдавленной оболочкой, в которой материал оболочки состоит из двух зон (рис. 1.5). Показатель преломления (n3) внутренней, соседней с сердечником зоны имеет значение меньше или вдавлен относительно показателя преломления внешней зоны, который равен показателю преломления чистого кварца (n2).

В волокнах со смещенной дисперсией показатель преломления сердечника имеет более сложную форму. На рис. 1.6 приведены примеры профилей показателей преломления для выровненной и вдавленной оболочек и треугольного профиля показателя преломления сердечника.

В одномодовых волокнах со смещенной дисперсией для сложных профилей показателя преломления определение диаметра сердечника представляет определенные трудности, поэтому для таких световодов вводится понятие диаметра поля моды. Учитывая, что интенсивность света по сечению сердечника одномодового световода распределена неравномерно и подчиняется, как правило, нормальному закону, радиальное расстояние, на котором интенсивность падает в 2 = 0,135 относительно пиe кового значения, называется радиусом поля моды и обозначается 0. Удвоенная величина 20 и представляет собой диаметр поля моды (рис. 1.7).

Рис. 1.5. Варианты оболочек: а – выровненная оболочка;

Рис. 1.6. Профили показателей преломления: а – выровненная оболочка;

Рис. 1.7. Интенсивность света по сечению сердечника Важной характеристикой световода является числовая апертура NA (Numerical Aperture), которая представляет собой синус от апертурного угла m.

Апертурный угол – это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, воздействующего на торец световода.

Таким образом, NA = n0 sin m, где n0 – показатель преломления окружающей среды.

От значения NA зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод.

Нетрудно убедиться, что между числовой апертурой и относительной разностью показателей преломления существует связь, Чем больше у волокон величина, тем больше NA, тем легче осуществлять ввод излучения от источников света в световод.

Рассмотрим волоконный световод без потерь двухслойной конструкции, приведенный на рис. 1.8.

Для описания поведения электромагнитного поля в сердечнике (0 < r < a) и в оболочке (a < r < b) необходимо использовать различные функции. Исходя из физической сущности процессов функции внутри сердечника при r = должны быть конечными, а в оболочке – Рис. 1.8. Двухслойный световод описывать спадающее поле.

Для определения основных параметров световодов (критической частоты, волнового числа, скорости передачи и др.) воспользуемся основными уравнениями электродинамики – уравнениями Максвелла, которые для диэлектрических волноводов имеют вид где – диэлектрическая проницаемость; µ – магнитная проницаемость;

– частота; j – плотность электрического тока; Н – напряженность магнитного поля; Е – напряженность электрического поля.

Уравнения Максвелла справедливы для любой системы координат.

Для направляющих систем эти уравнения наиболее часто применяются в цилиндрической системе координат, ось Z которой совместима с оптической осью световода:

Для решения инженерных задач электродинамики необходимо знать продольные составляющие полей Еz и Hz. Их можно получить следующим образом. Приведем первое из уравнений Максвелла (1.1) к виду Тогда, используя соотношение rotrotH = graddivH 2 H, а также учитывая, что divH = 0, получим где k 2 = 2 a µ a – волновое число световода.

Поступая аналогично со вторым уравнением Максвелла, получим Отсюда следует, что продольные электромагнитные составляющие векторов Ez и Hz удовлетворяют уравнениям где 2 – оператор Лапласа.

тогда для продольных составляющих Ez и Hz в цилиндрической системе координат получим дифференциальные уравнения второго порядка:

Допустим, что напряженность электромагнитного поля в направлении оси Z меняется по экспоненциальному закону, т.е. A = A0 e z, где А – любая составляющая векторов Е или Н; – коэффициент распространения ( = + j). Тогда первая и вторая производные определятся Для составляющей Еz Подставляя полученное значениe в уравнения (1.3), получим Введем обозначение g 2 = 2 + k 2 – поперечное волновое число световода. Тогда для сердечника световода имеем где g12 = k12 2 (без учета затухания) – поперечное волновое число сердечника; k1 – волновое число сердечника с коэффициентом преломления Решение уравнений (1.4) для сердечника следует выразить через цилиндрические функции первого рода – функции Бесселя, имеющие конечные значения при r = 0, поэтому можно написать где Аn и Вn – постоянные интегрирования.

Воспользовавшись уравнениями (1.2), рассмотрим связь между поперечными и продольными компонентами поля. В частности, для составляющей Еr имеем Возьмем производную от второго выражения по переменной z:

Учитывая, что Подставим данное выражение в уравнение для Еr:

или Аналогично можно установить связь между продольными и другими поперечными компонентами поля Воспользовавшись уравнениями (1.5), возьмем соответствующие производные Тогда выражения для поперечных составляющих электрического и магнитного полей в сердечнике световода, при том, что =, имеют вид (множитель e jne z не пишем) Для оболочки имеем аналогичную систему уравнений:

где g 2 = 2 k 2 (без учета затухания) – поперечное волновое число оболочки световода; k2 – волновое число оболочки с коэффициентом преломления n2, k2 = µ a 2 a 2 = kn2 = n2.

Для решения данных уравнений, исходя из условия, что при r поле должно стремиться к нулю, следует использовать цилиндрические функции третьего рода – функции Ганкеля:

где Сn, Dn – постоянные интегрирования.

Тогда для поперечных составляющих поля в оболочке можно написать следующие выражения:

Постоянные интегрирования Аn, Вn, Сn, Dn могут быть определены на основании граничных условий. Используем условия равенства тангенциальных составляющих напряженностей электрических и магнитных полей на поверхности раздела сердечник – оболочка (при r = а):

Найдя постоянные интегрирования и подставив их в уравнения, после соответствующих преобразований получим следующее трансцендентное уравнение:

Полученные уравнения дают возможность определить неизвестные постоянные и найти структуру поля в сердечнике и оболочке волоконного световода. В общем случае уравнения имеют ряд решений, каждому из которых соответствует определенная структура поля, называемая типом волны, или модой.

1.3. Типы волн в световодах. Критические длины и частоты В сетоводах могут существовать два типа волн: симметричные E0m, H0m; несимметричные дипольные EHnm, HEnm. В индексе n – число изменений поля по диаметру; m – число изменений поля по периметру.

Симметричные волны электрические Е0m и магнитные H0m имеют круговую симметрию (n = 0).

Раздельное распространение по световоду несимметричных волн невозможно. В световоде они существуют только совместно, т.е. имеются продольные составляющие Е и Н. Эти волны называются смешанными, дипольными и обозначаются через HЕnm, если поле в поперечном сечении напоминает поле Н, или EНnm, если поле в поперечном сечении ближе к волнам Е.

Из всей номенклатуры смешанных волн в оптических кабелях наибольшее применение получила волна типа НЕ11 (или ЕН10). На этой волне работают одномодовые световоды, имеющие наибольшую пропускную способность.

Представляет интерес сопоставление указанной классификации электромагнитных волн с лучевой классификацией.

Как уже отмечалось, по волоконным световодам возможна передача двух видов лучей: меридиональных и косых. Меридиональные лучи расположены в плоскости, проходящей через ось волоконного световода. Косые лучи не пересекают ось световода.

Меридиональным лучам соответствуют симметричные электрические Е0m и магнитные H0m волны, косым лучам – несимметричные гибридные EНnm и HЕnm волны.

Если точеченый источник излучения расположен по оси световода, то имеются только меридиональные лучи и, соответственно, симметричные волны Е0m, H0m. Если же точечный источник расположен вне оси световода или имеется сложный источник, то появляются одновременно как меридиональные, так и косые лучи и свойственные им симметричные Е0m, H0m и несимметричные гибридные EНnm и HЕnm волны.

Несимметричные волны типа Enm и Hnm в волоконных световодах существовать не могут. Эти волны возбуждаются только в металлических волноводах.

Основное уравнение передачи по волоконному световоду для слуn n ) где – коэффициент фазы в световоде; k1 и k2 – волновое число соответственно сердечника и оболочки световода; g1 и g2 – поперечное волновое число соответственно для сердечника и оболочки; а – радиус сердечника волокна.

Учитывая, что Полагая, что r = a, произведем сложение левых и правых частей приведенных выражений Для определения критической частоты f0 надо принять g2 = 0. При всех значениях g2 > 0 поле концентрируется в сердечнике световода, а при g2 = 0 оно выходит из сердечника и процесс распространения по световоду прекращается. По закону геометрической оптики условие g2 = 0 соответствует углу полного внутреннего отражения, при котором отсутствует преломленная волна, а есть только падающая и отраженная волны. Тогда при g2 = 0 имеем g12 = k 2 (n12 n2 ).

чим k = 2 1 2 =, откуда критическая частота световода Умножив числитель и знаменатель на параметр а (радиус сердечника), получим значение критической частоты и критической длины волны где g1a – корни бесселевых функций.

Так как световоды изготавливаются из немагнитных материалов Принципиально аналогичный результат можно получить лучевым методом непосредственно из законов геометрической оптики путем сопоставления падающей, отраженной и преломленной волн на границе сердечник – оболочка световода.

Анализируя полученные соотношения, можно сказать, что чем толще сердечник световода и чем больше отличаются µ11 и µ22, тем больше критическая длина волны и, соответственно, ниже критическая частота волоконного световода. Из формул видно также, что при равенстве оптических характеристик, в первую очередь диэлектрической проницаемости сердечника и оболочки, т.е. при 1 = 2, критическая длина волны 0 = 0, а критическая частота f 0 = и передача по такому световоду невозможна. Это имеет свое логическое обоснование: как уже сказано, волоконный световод работает на принципе многократного отражения от границы оптических несоответствий сердечника и оболочки, и эта граница является направляющей средой распространения электромагнитной энергии. При 1 = 2 световод перестает действовать как направляющая система передачи.

Для определения критических частот различных типов волн рассмотрим корни ранее полученного выражения бесселевых функций для симметричных и для несимметричных волн. Эти равенства дают бесконечное число корней, значения которых приведены в табл. 1.1.

Классификация волн в зависимости от значений корней J0m(g1a) Рассмотрим физический смысл приведенных в табл. 1.1 корней бесселевых функций g1a. Поскольку при отсечке g2 = 0, т.е. = kn2, то из выражения g1 = k12 2 имеем Последнее выражение обратно пропорционально 0, т.е. прямо пропорционально критической частоте f0. Кроме того, оно включает в себя исходные параметры волокна: а, n1, n2. Данное выражение носит название нормированной частоты и в этом виде часто используется в световодной технике. Таким образом, нормированная частота где – длина волны в вакууме.

При такой трактовке табл. 1.1 содержит нормированные частоты для волн, тип которых указан в правой колонке таблицы, а индекс nm составлен из чисел левого столбца и верхней строки, соответствующей клетке, в которой находится данная величина 0. Каждой 0 соответствует критическая частота f0.

При < 0 имеем f < f0, т.е. частота меньше критической и волна по сердечнику волокна не распространяется, другими словами, не существует. Область существования волны, имеющей нормированную частоту отсечки > 0, составляет f > f0.

Из табл. 1.1 видно, что для несимметричной волны НЕ11 значение 0 = 0, следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердечника. Все другие волны не распространяются на частотах ниже критической. Табл. 1. можно преобразовать и привести к следующему виду (табл. 1.2).

Из табл. 1.2 следует, что с увеличением частоты появляются новые типы волн. Так, начиная с = 2,405 появляются волны H01, E01, HE21, при = 3,832 возникают дополнительные волны HE12, EH11, HE31 и т.д.

Итак, интервал значений = g1a, при которых в световоде распространяется лишь один тип волн НЕ11, находится в пределах 0 < < 2,405, поэтому при выборе частоты передачи или толщины сердечника одномодового световода исходят из условия Одномодовый режим практически достигается при применении очень тонких волокон, равных по диаметру длине волны (d ). Кроме того, надо стремиться к уменьшению разницы между показателями преломления сердечника и оболочки (n1 n2 ).

Диаметр сердечника волоконного световода для одномодовой передачи может быть определен из следующей формулы:

Пример: для световода из стекловолокна с показателем преломления сердечника 1,48 и показателем преломления оболочки 1,447 при волне Е01 длиной 1,55 мкм для одноволновой передачи получим 1.4. Оптические потери в волоконных световодах Важнейшими параметрами световода являются оптические потери и, соответственно, затухание передаваемой энергии. Эти параметры определяют дальность связи по оптическому кабелю и его эффективность.

Затухание световодных трактов обусловлено собственными потерями в волоконных световодах ( с ) и дополнительными потерями, так называемыми кабельными ( к ), обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля, т.е.

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения ( п ) и потерь рассеивания р, т.е.

Потери на поглощение существенно зависят от частоты материала и при наличии посторонних примесей ( пр ) могут быть значительными.

В результате Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существенно зависит от свойств материала световода.

Потери обусловлены комплексным характером показателя преломления nд + jnм, который связан с тангенсом угла диэлектрических потерь выражением Затухание в результате поглощения определяется отношением потерь в световоде Рп к удвоенному значению полной мощности Р, распространяющейся по волоконному световоду. Учитывая, что Рп = GU 2, где U – напряжение; G – проводимость материала световода; Z – волновое сопротивление световода.

Выражая tg через комплексный показатель преломления, получаем Если коэффициент преломления имеет действительное значение n = nд, то tg = 0 и потери на поглощение отсутствуют.

Из формул видно, что частотная зависимость затухания в результате поглощения имеет линейный характер при постоянных значениях n.

Невозможно избежать поглощения света в стекловолокнах. Даже чистейший кварц сильно поглощает свет на определенных длинах волн.

Так, например, на длинах волн меньших 1,3 мкм имеет место ультрафиолетовое поглощение, а на длинах волн больших 1,3 мкм – инфракрасное поглощение, которое с увеличением длины волны растет и при длине около 1,6 мкм становится настолько значительным, что и является тем фактором, который ограничивает применение кварцевых волокон для длин волн больше приведенной.

Для изменения показателя преломления волокна используются различные легирующие добавки. Некоторые из них, например бор (В2О3), имеют большее естественное поглощение, а некоторые, например германий (GeO2), – меньшее. В настоящее время при производстве стекловолокон используют легирующие добавки с низкими потерями на поглощение.

На ранних этапах развития оптических волокон большую часть примесей составляли ионы металлов. Но в современных высококачественных волокнах эти примеси существенно малы и единственной оставшейся значительной примесью является гидроксильная группа ОН.

На длине волны 2,73 мкм вследствие теплового движения в этой группе атомов водорода и кислорода возникают резонансные явления, которые вызывают максимальное поглощение в стекловолокне. И если указанный пик поглощения находится вне рабочего диапазона длин волн кварцевого стекловолокна, то сопутствующие гармоники оказывают непосредственное воздействие на волокна в диапазоне длин волн от 0,7 до 1,6 мкм и вызывают три пика поглощения.

Рассеяние света в волоконном световоде в основном обусловлено наличием в материале сердечника мельчайших (около одной десятой доли длины волны) случайных неоднородностей.

При рассеянии света в волокне лучи расходятся в новых направлениях, часть из которых имеет меньший угол падения, чем угол полного внутреннего отражения. Одни лучи при этом покидают сердечник и уходят в оболочку, а другие остаются в сердечнике, но распространяются обратно к источнику излучения (рис. 1.9).

Такое рассеяние присутствует в любом волоконном световоде и получило название рэлеевского рассеяния.

Затухание на рассеяние рассчитывается по формуле где С – коэффициент рэлеевского рассеяния; К – постоянная Больцмана;

Т – температура перехода; – сжимаемость.

Даже при отсутствии легирующих добавок чистое кварцевое стекло имеет коэффициент рэлеевского рассеяния С = 0,75 мкм4дБ/км. Легирующие добавки, которые необходимы для изменения показателя преломления сердечника световода, увеличивают степень неоднородности стекла, поэтому, чем больше, тем больше потери вследствие рэлеевского рассеяния.

Так, для многомодового градиентного стекловолокна, легированного германием и фосфором, коэффициент рэлеевского рассеяния (мкм4дБ/км) рассчитывается по формуле Это означает, что при = 1 % на длине волны 1,31 мкм величина потерь вследствие рэлеевского рассеяния для многомодового градиентного световода составляет 0,39 дБ/км.

К кабельным потерям относятся потери на макроизгибы, микроизгибы и вследствие неоднородности изготовления.

Потери на макроизгибы обусловлены изменением геометрии луча при изгибах оптического кабеля. Рассмотрим появление таких потерь на примере световода со ступенчатым профилем показателя преломления (рис. 1.10).

На изгибе луч образует угол падения 2 < 1, а следовательно, нарушается условие полного внутреннего отражения ( 2 < c ). Такой луч преломляется и рассеивается в окружающем пространстве (оболочке).

В многомодовых градиентных световодах моды высших порядков, распространяющиеся вблизи границы сердечник – оболочка, имеют малые значения угла падения 1, поэтому при сворачивании такого световода в круг в первую очередь теряются именно именно эти моды. Затухание за счет макроизгибов рассчитывается по формуле где g – коэффициент, определяющий вид профиля показателя преломления; 2а – диаметр сердечника световода; R – радиус изгиба.

Изгибы одномодовых волокон вызывают непрерывную утечку мощности из моды. Эти непрерывные потери рассчитываются по формуле где c – длина волны, соответствующая значению нормированной частоты v.

Потери от микроизгибов возникают в результате случайных отклонений волокна от его прямолинейного состояния (рис. 1.11).

Размах таких отклонений составляет менее 1 мкм, а протяженность – менее миллиметра. Подобные случайные отклонения могут появляться в процессе наложения защитного покрытия и изготовления из стекловолокон кабеля в результате температурных расширений и сжатий непосредственно волокна и защитных покрытий.

Микроизгибы в многомодовых волокнах приводят к переходу части энергии с одних мод на другие. Потери на микроизгибы в таких волокнах не зависят от длины волны и рассчитываются по формуле где k – коэффициент, зависящий от амплитуды и длины микроизгибов;

а – радиус сердечника стекловолокна; b – диаметр оболочки.

В одномодовых волокнах, в отличие от многомодовых, потери вследствие микроизгибов зависят от длины волны. Если потери вследствие микроизгибов для многомодового волокна с диаметром сердечника 50 мкм и = 1,0 % составляют micro м, то потери для одномодового волокна рассчитываются по формуле где 0 – радиус поля моды.

На первый взгляд кажется, что с увеличением длины волны затухание на микроизгибы уменьшается. Однако происходит увеличение потерь, так как с увеличением длины волны растет радиус поля моды.

Неоднородности изготовления, например изменение размеров диаметра или круглой формы сердечника, наличие пустот в стекле и дефектов на границе сердечник – оболочка, неравномерное распределение легирующих добавок, могут вызвать потери на рассеяние (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Потери на рассеяние, связанные с неоднородностью Рассмотрим зависимость затухания от частоты и длины волны.

Из приведенных выше данных очевидно, что оптические потери увеличиваются с ростом частоты. При этом затухание на поглощение возрастает по линейному закону, а затухание на рассеяние увеличивается значительно быстрей, по закону квадратичной параболы. Обычно потери на рассеяние превышают потери на поглощение (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Потери на рассеяние и поглощение Из графиков видна принципиальная разница между характеристиками затухания симметричных (Е01, Н01) и смешанных (НЕ11) волн.

Симметричные волны имеют критическую частоту f0, ниже которой передача невозможна. Смешанная волна не имеет критической частоты, и затухание растет плавно во всем частотном диапазоне.

Наибольший интерес представляет зависимость затухания от длины волны (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Зависимость затухания от длины волны В целом затухание с увеличением длины волны уменьшается. Однако на отдельных длинах волн (0,95, 1,25 и 1,39 мкм) возникают всплески затухания, которые обусловлены резонансными явлениями в гидроксильных группах ОН. На длине волны более 1,6 мкм затухание возрастает за счет потерь на поглощение в инфракрасной области спектра.

Между пиками затухания находятся три области с минимальными оптическими потерями, которые получили название окон прозрачности.

С увеличением номера окна затухание уменьшается.

Так, 1-е окно прозрачности наблюдается на длине волны 0,85 мкм, на которой величина затухания составляет 2–4 дБ/км; 2-е окно прозрачности соответствует длине волны 1,3 мкм, на которой затухание составляет 1,0– 1,5 мкм; 3-е окно прозрачности наблюдается на длине волны 1,55 мкм, на которой затухание составляет 0,5–0,2 дБ/км. Таким образом, целесообразно, чтобы оптические системы передачи по волоконным световодам работали именно на указанных длинах волн, которые получили название рабочих. В настоящее время наибольший интерес вызывают два последних окна прозрачности, которые обеспечивают наименьшее затухание и максимальную пропускную способность волоконных световодов.

1.5. Дисперсия в волоконных световодах В световодах при передаче импульсных сигналов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседние импульсы перекрывают друг друга.

Данное явление в теории световодов носит название дисперсии.

В курсе физики дисперсией называется распространение синусоидальных волн разных частот с различными фазовыми скоростями. Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивает длину участка регенерации. Дисперсия также ограничивает ширину полосы пропускания световода.

Рассмотрим явление дисперсии более подробно. Распространение импульса электромагнитной энергии по световоду может быть представлено в виде ряда лучей, как показано на рис. 1.15.

Аксиальный луч 1 распространяется вдоль оптической оси и проходит расстояние l. Время пробега при этом составит где ф – фазовая скорость электромагнитной волны.

Рис. 1.15. Распространение импульса электромагнитной энергии по световоду Время пробега того же расстояния l наклонным лучом с максимально возможным значением угла Так как максимальное значение определяется углом полного внутреннего отражения с, то Когда эти два луча 1, 2, переносящие электромагнитную энергию, складываются вместе, наклонный луч по сравнению с аксиальным лучом имеет временное запаздывание Это приводит к тому, что форма выходного импульса по сравнению со входным импульсом искажается, импульс расширяется во времени (рис. 1.15). Такое явление называется межмодовой (модовой) дисперсией ( мод ) и проявляется в многомодовых световодах. Однако данный вид дисперсии не единственный в волоконных световодах.

Дисперсия определяется тремя главными составляющими:

1) межмодовой;

2) волноводной;

3) материальной.

Волноводная дисперсия ( в ) характеризуется зависимостью групповой скорости моды от длины волны, а материальная ( м ) – зависимостью коэффициента преломления материала световода от длины волны.

Результирующая дисперсия может быть рассчитана по формуле Различные виды дисперсии проявляются по-разному в различных типах волоконных световодов. В ступенчатых многомодовых оптических волокнах доминирует межмодовая дисперсия, которая рассчитывается по формуле В реальных ступенчатых волоконных световодах расширение импульса мод = 20 нс/км.

В градиентных волоконных световодах модовая дисперсия практически отсутствует. Это объясняется параболическим профилем показателя преломления сердечника стекловолокна (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Параболический профиль показателя преломления сердечника Аксиальный луч 1 проходит меньший путь, но в среде с большим показателем преломления. Периферийный луч 2 проходит больший путь, но в среде с меньшим показателем преломления. В результате время пробега лучей выравнивается и расширение импульса за счет модовой дисперсии практически отсутствует, так как мод = 50 пс/км, что в 400 раз меньше, чем в аналогичных по размерам ступенчатых многомодовых световодах.

Расчет межмодовой дисперсии в градиентных световодах производится по формуле В одномодовых световодах модовая дисперсия отсутствует и расширение импульса определяется внутримодовой дисперсией, т.е. уширение импульса в пределах каждой моды, которая вызвана материальной и волноводной дисперсиями.

Для определения внутримодовой дисперсии необходимо воспользоваться понятиями фазовой и групповой скоростей распространения электромагнитных волн.

В соответствии с основными положениями электродинамики в однородных средах плоская электромагнитная волна распространяется с фазовой скоростью и групповой скоростью Для недисперсионной среды фазовая скорость не зависит от частоты, и тогда групповая скорость равна фазовой скорости. Подставим в выражение для групповой скорости =, продифференцируем и получим гр = ф. Однако в дисперсионных средах, где фазовая скорость электромагнитной волны является функцией частоты, ф и гр имеют разные значения.

Для дисперсионной среды, где показатель преломления зависит от частоты, вводится групповой показатель преломления Учитывая, что учитывая, что с = f, выражение для группового показателя преломления можно записать в виде и групповую скорость Тогда можно определить время распространения импульса электромагнитной энергии через дисперсионную среду длиной l:

Если среда обладает дисперсией и ширина спектра излучения составляет, то световые импульсы при распространении расширяются:

Ширину спектра излучения обычно определяют по уровню половинной мощности. Удобно ввести относительную величину спектра излучения =.

Тогда после распространения импульса в дисперсионной среде на расстояние l ширина его на уровне половинной мощности определится следующим соотношением:

Для оценки уширения импульса вводится понятие среднеквадратического отклонения, которое принимается на уровне 0,6 от максимальной мощности импульса гауссовой формы (рис. 1.17).

Тогда уширение импульса за счет волоконного световода определится по формуле Среднеквадратическое уширение импульса, обусловленное внутримодовой дисперсией, рассчитывается по формуле где – километрическое среднеквадратическое отклонение длины волны основной моды; М – коэффициент удельной материальной дисперсии; N2 – групповой показатель преломления в материале оболочки;

V – нормированная частота; b – нормированное время пробега.

Первый член приведенного выражения определяется дисперсией материала, второй – волноводной дисперсией.

Для определения материальной дисперсии воспользуемся трехчленной дисперсионной формулой Селмейера, которая характеризует спектральную зависимость показателя преломления стекол в диапазоне 0,6–2 мкм:

где коэффициенты Аi и li (i = 1, 2, 3) определяются экспериментально.

Возьмем производную от приведенного выражения по :

Производная от первого слагаемого Аналогично для i-го члена тогда производная определится Возьмем вторую производную по :

Производная от первого слагаемого Аналогично для i-го члена тогда коэффициент удельной материальной дисперсии Таким образом, материальная дисперсия представляет собой расширение импульса при прохождении электромагнитной волны в большом объеме стекла, определяется зависимостью показателя преломления от длины волны, и это означает, что различные длины волн распространяются с различной скоростью.

Волноводная дисперсия представляет собой расширение импульса, которое происходит вследствие того, что электромагнитная волна, заключенная в некоторую среду, зависит от ее волноводной структуры.

Действительно, с увеличением длины волны возрастает диаметр поля моды, а так как в одномодовых световодах волна распространяется не только в сердечнике, но и частично в оболочке, все большая часть мощности импульса сосредоточивается в оболочке, показатель преломления которой относительно мал. Скорость распространения такой волны меняется, что и приводит к расширению импульса.

Рассмотрим действие материальной и волноводной дисперсий в одномодовом волоконном световоде (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Действие материальной и волноводной дисперсий С увеличением длины волны удельная материальная дисперсия уменьшается и на длине волны 1,3 мкм принимает отрицательные значения. Длина волны, при которой дисперсия равна нулю, называется длиной волны нулевой дисперсии (0).

Волноводная дисперсия несмещенных волокон представляет собой относительно небольшую величину и находится в области положительных чисел. При создании стекловолокна со смещенной дисперсией, основу которой составляет ее возросшая волноводная компонента, появляется возможность скомпенсировать материальную дисперсию и сдвинуть нулевую дисперсию в длинноволновую область, т.е. к третьему окну прозрачности ( =1,55 мкм). Данный сдвиг осуществляется уменьшением диаметра сердечника, увеличением и использованием треугольной формы профиля показателя преломления сердечника.

1.6. Распространение сигналов по оптическому волокну Передача сигналов по оптическому кабелю имеет свои особенности, которые связаны со способом передачи оптических сигналов, а также с тем, что распространение излучения по световоду является многомодовым (многолучевым).

Предварительно рассмотрим, что представляет собой оптический сигнал, распространяющийся по кабелю. Если электрический сигнал u(t) модулирует излучатель, например изменяет ток накачки полупроводникового лазера, то в соответствии с изменением u(t) изменяется мощность излучения лазера. Следовательно, по кабелю распространяется сигнал где p(t) – мощность оптического сигнала; k – коэффициент пропорциональности.

При этом полагаем, что излучатель не вносит никаких искажений.

Если бы оптический кабель и фотоприемник не вносили никаких искажений, то на его выходе (после фотоприемника) возникал бы сигнал той же формы, что и на входе u(t).

Так, если входной сигнал представляет собой синусоидальное напряжение u = U m sin t, где – частота, модулирующая излучатель, то при указанных выше допущениях на выходе кабеля также присутствовал бы синусоидальный электрический сигнал (фазовый сдвиг не принимаем во внимание). В действительности же возникают неизбежные искажения.

При передаче синусоидального сигнала мощность излучения будет меняться по закону где Р0 – мощность излучения при отсутствии модуляции; М – глубина модуляции.

Здесь мощность оптического излучения определена как эффективное значение мощности за период оптической частоты и пропорциональна квадрату напряженности (Н – магнитного или Е – электрического поля). Если перенос излучения осуществляется только одной модой, получим выражение, описывающее изменение во времени поля излучения (например, электрического) в таком виде:

где о – оптическая частота; Еm – амплитуда напряженности поля Е.

Таким образом, при принятом способе передачи оптических сигналов, т.е. модуляции мощности оптического излучения, сигнал, распространяющийся по кабелю, содержит не одну частоту модуляции, а спектр частот.

Если бы по закону модулирующего сигнала изменялась не огибающая мощность излучения, а электрическое поле, в рассматриваемом случае это изменение описывалось бы известным выражением Спектр этого сигнала, как известно, содержит только три составляющие на частотах о, о +, о. Спектр же, определяемый выражением (1.11), содержит бесконечное число частот хотя и быстро убывающих амплитуд. Отсюда следует, что при модуляции оптической мощности спектр передаваемого сигнала обогащается, что вносит свой вклад в искажение сигнала. Следует отметить, что при М = 1 спектр содержит только две составляющие на частотах о +, о. Так как в реальных световодах существует большое число мод, то спектральный состав распространяющегося по оптическому кабелю сигнала оказывается более сложным, чем излучаемого.

Так как обычно частоты модуляции, при этом площадь этого импульса равна единице. Переходная h(t; l) и импульсная g(t; l) характеристики полностью определяют распространение сигналов по оптическому кабелю. Пользуясь данными характеристиками, можно найти форму выходного сигнала оптического кабеля при известной форме входного. Кроме того, по этим характеристикам можно найти модуляционно-частотные характеристики (фазовую и амплитудную).

Переходную характеристику можно определить экспериментально, а импульсную, как правило, аналитически.

1.6.2. Собственные и частные характеристики В отличие от традиционных четырехполюсников, когда нормируется только форма входного испытательного сигнала, например в виде единичного сигнала или гармонического сигнала, для оптического кабеля должны оговариваться особенности источника излучения, а именно:

1) распределение интенсивности по излучающей поверхности;

2) распределение мощности излучения по модам (или по углу) диаграммы излучения;

3) спектр излучения (по оптическим частотам).

Как показывает теория и подтверждают экспериментальные данные характеристики передачи, оптические кабели оказываются различными при разных показателях, относящихся к перечисленным особенностям.

Действительно, искажение сигналов зависит, в частности, от распределения мощности излучения между модами, введенными в кабель и распространяющимися в нем. В свою очередь, это распределение зависит от первых двух факторов. Кроме того, в зависимости от состава оптического спектра излучения степень материальной дисперсии будет различной, поэтому при измерениях кабелей, возбуждаемых источником излучения с различными характеристиками и при идентичных условиях ввода излучения в кабель, характеристики передачи могут быть разными. Таким образом, характеристики передачи оптического кабеля не могут рассматриваться в отрыве от излучателя.

В связи с изложенным необходимо различать два вида характеристик передачи: собственные характеристики и частные характеристики.

Собственная характеристика – это характеристика, которая свойственна данному оптическому кабелю при условии, что он возбуждается строго одной оптической несущей, причем мощность всех мод, введенных в кабель, одинакова. В идеальном случае это возможно при возбуждении кабеля точным монохроматическим источником, расположенным на оси световода.

Частные характеристики соответствуют конкретным условиям возбуждения световода от определенного источника с известными характеристиками излучения. Эти характеристики не являются универсальными и не могут быть непосредственно использованы тогда, когда применяются источники излучения, отличные от тех, для которых эти характеристики были определены.

Необходимо заметить, что на расстоянии длины нормализации для узкой спектральной полосы излучения частные характеристики приближаются к собственным.

Частотные и переходные характеристики относятся к вторичным оптическим параметрам световодов, тогда как первичными параметрами являются геометрические размеры световодов (сердечника и оболочки), профиль показателя преломления и коэффициент затухания.

Рассмотрим случай многомодового световода со ступенчатым профилем показателя преломления.

Пусть угловая диаграмма излучателя описывается некоторой зависимостью p = (). Энергия излучения, введенная в световод, распространяется под различными углами u1 в пределах апертурного угла. При n0 = n u1 =. Если световод прямолинейный и не имеет никаких неоднородностей, то каждый луч, введенный в световод, будет распространяться в нем под тем же углом, под которым он был введен в световод. Потери мощности, распространяющейся в элементарном пучке в направлении данного луча под углом u1, зависят от коэффициента затухания в материале сердечника, длины пути, проходимого пучком в процессе многократных отражений, коэффициента отражения на границе сердечник – оболочка и от числа отражений на всем пути распространения.

Длина пути луча, распространяющегося под углом u где l – длина световода.

Число отражений на той же длине l где а – радиус отворота Коэффициент отражения, определяемый формулой Френеля, зависит от потерь в оптической оболочке, отражающей лучи, и от угла u и уменьшается с его увеличением. Такая зависимость (u1) приводит к тому, что мощность пучков излучения, соответствующая лучам, распространяющимся под большими углами, испытывает большие потери на отражение, чем мощность пучков излучения, соответствующая лучам, распространяющимся под меньшими углами (чем меньше коэффициент отражения, тем больше потери). При многократных отражениях их общий эффект определяется произведением отдельных коэффициентов отражения, а так как < 1, то потери будут возрастать с увеличением числа отражений, т.е. даже при (u) близких к единице полные потери при многократных отражениях оказываются достаточно ощутимыми.

Если мощность излучения в элементарном пучке, распространяющемся в световоде под углом u1, в его начале равна P', то, учитывая поu тери на отражение, а также на поглощение на пути lu, можно определить мощность пучка на расстоянии l:

Здесь принято (u ), т.е. некоторому среднему значению. Тогда получим отношение мощностей Для получения соответствующего отношения всей мощности Pl на расстоянии l к полной мощности P0, введенной в начале световода, необходимо произвести суммирование мощности пучков на расстоянии l, распространяющихся под всеми углами в пределах апертурного угла m. При этом следует учитывать значения мощностей каждого из пучков, введенных в световод под соответствующим углом. Такая операция дает весьма сложное выражение, в котором учитывается угловая диаграмма излучения мощности, введенной в световод, в свою очередь определяемая угловой диаграммой излучателя. Из приведенного соотноP шения следует, что отношение l должно сложным образом зависеть от длины световода l и апертурного угла m. Соответствующими преобразованиями можно представить связь Pl и P0 в виде причем зависимость затухания от длины l, в свою очередь, связана с видом диаграммы излучения, введенного в начале световода. Таким образом, (l) – затухание на длине световода l. Вследствие сложной зависимости этой функции от l неправомочно обычное соотношение для показателя затухания (l) = l.

По мере распространения энергии вдоль пути l характер диаграммы излучения изменяется, так как лучи, распространяющиеся под различными углами, испытывают различное затухание с ростом u1. Таким образом, происходит деформация диаграммы излучения в световоде (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Деформация диаграммы излучения в световоде Значение затухания зависит от формы этой диаграммы, следовательно, на различных по угловым положениям лучей, но равных отрезках пути затухание не может быть пропорциональным этим отрезкам, так как в начале каждого отрезка диаграммы излучения отличаются друг от друга. Следовательно, в этих условиях (l) l. По мере распространения по световоду энергии диаграмма излучения становится более вытянутой, основная часть энергии сосредоточивается в области меньших углов, причем в этой области мощности пучков мало различаются. По мере увеличения l степень деформации диаграммы уменьшается и форма ее стремится к некоторому устойчивому виду. Чем больше исходная диаграмма излучения приближается к диаграмме точечного излучателя (т.е. к окружности), тем больше она деформируется в процессе распространения по световоду.

По мере приближения формы диаграммы к стабильной стреl мится к постоянному значению, т.е. к обычному коэффициенту затухания, не зависящему от длины. Это практически имеет место уже при l lN, где lN – длина нормализации, т.е. длина, на которой форма диаграммы излучения является практически установившейся.

При l > lN диаграмма излучения, распространяющегося по световоду, практически не зависит от угловой диаграммы излучения источника и определяется только параметрами световода. Из этого следует, что расчет затухания оптического кабеля по постоянному значению коэффициента ослабления, т.е. по формуле можно проводить лишь для длин l > lN.

Все вышеизложенное относилось к прямолинейному световоду без неоднородностей. В действительности в реальном оптическом кабеле заложены световоды, обладающие различными видами неоднородностей (геометрическими и физическими), кроме того, имеют место нарушения прямолинейности (повивы кабеля, криволинейная трасса, микроизгибы и т.д.). Влияние этих неоднородностей выражается в увеличении потери на рассеяние и нарушении постоянства углов распространения различных лучей. В результате этого более интенсивно ослабляются лучи, распространяющиеся под большими углами, а часть энергии, переносимая пучками, соответствующими этим лучам, переходит в пучки, распространяющиеся под меньшими углами.

Все это приводит к тому, что диаграмма излучения, распространяющегося по световоду, нормализуется на длине lN, меньшей чем длина нормализации при отсутствии неоднородностей. Сама диаграмма становится более сжатой, и распределение мощностей по углам оказывается более равномерным. Деформацию диаграммы излучения можно получить, воспользовавшись и модовым описанием.

Действительно, совокупность мод, образующих электромагнитное поле в многомодовых световодах, при распространении излучения по световоду меняет свою структуру, так как моды более высоких порядков испытывают большее затухание. Этим модам и соответствуют лучи, распространяющиеся под большими углами. Согласно теории при наличии неоднородностей последние создают связи между отдельными модами, приводящими к частичному переходу энергии от одних мод к другим, а также появлению мод, которые не могут распространяться в данном световоде и поэтому излучаются во внешнее пространство, что создает дополнительные потери энергии на рассеяние.

В то же время часть энергии высших мод переходит в энергию низших, увеличивает их мощность. В результате такого преобразования мод, т.е. частичного перехода энергии из одних мод в другие, диаграмма излучения нормализуется.

В оптических кабелях, состоящих из многомодовых световодов, основной причиной искажения сигналов является различное время запаздывания и затухания лучей, распространяющихся под различными углами.

В результате этого, например, фронт прямоугольного сигнала на месте приема будет растянут. Любая другая форма сигнала, поданного на вход кабеля, также будет искажена.

Характер и степень искажения зависят от формы входного сигнала, угловой характеристики излучения источника, параметров световода, длины кабеля, вида и степени его неоднородностей. Запаздывание различных лучей, как уже известно, следует из неравенства путей их распространения. Можно также рассматривать механизм искажения оптических сигналов как результат различий скоростей распространения мод разных порядков и зависимости их затухания от порядка мод.

Каждая мода представляет собой плоскую волну, имеющую свой коэффициент распространения, определяющий фазу и затухание, зависящее от номера моды. Если пренебречь ослаблением, то коэффициент распространения моды i-го порядка определится следующим образом:

где N – общее число мод; g – показатель степени в выражении профиля показателя преломления сердечника световода.

Таким образом, данная формула пригодна как для ступенчатого, так и для градиентного световода. С коэффициентом связана групповая скорость моды на данной частоте ( i ). При постоянном значении частоты с увеличением порядка моды коэффициент фазы уменьшается и групповая скорость i падает. Для различных мод с увеличением частоты коэффициент распространения и групповая скорость возрастают в разной степени. На рис 1.20 приведен характер зависимости i от частоты и порядка мод.

Рис. 1.20. Характер зависимости i от частоты и порядка мод:

В результате время запаздывания моды на длине l i = будет больше для мод более высокого порядка и для более высоких частот. Если при этом учесть распределение мощностей между модами, то можно на заданной длине кабеля определить запаздывание, а следовательно, форму сигнала. Таким образом, с увеличением числовой апертуры количество мод, распространяющихся по световоду, растет и степень искажения увеличивается. В градиентных световодах различие в i меньше, чем в световодах со ступенчатым профилем, поэтому искажения могут быть существенно меньше, однако для полной реализации такого положения необходимо выбирать параметр g строго в зависимости от длины волны излучения и оптических свойств материала световода, а также следует обеспечить с высокой степенью точности (до 3–4 %) постоянство принятого профиля коэффициента вдоль всего световода.

Теория и практика показывают, что при наличии рассеянных неоднородностей искажения оптических сигналов, распространяющихся по оптическому кабелю, несколько уменьшаются. Это связано с уже известными нам процессами выравнивания диаграммы излучения или (в модовом толковании) с обменом энергии между модами. Таким образом, наличие неоднородностей выравнивает скорости различных мод на пути распространения по кабелю излучения, т.е. относительное запаздывание становится меньше и искажения сигналов несколько уменьшаются.

Выше указывалось, что форма выходного сигнала зависит, в частности, от формы входного, поэтому принято оперировать некоторыми нормированными формами сигналов. Приведем некоторые теоретически выведенные выражения, описывающие импульсную характеристику. При этом угловая характеристика излучения может быть представлена в виде где m – целое число; – угол относительно оптической оси.

Такое описание широко принято для источников излучения, используемых в оптической связи. В частности, при m = 1 имеем так называемую ламбертову поверхность излучения. При m = 2…3 имеем характеристики полупроводникового лазера. Тогда импульсная характеристика будет описываться следующим выражением:

Данное выражение является универсальным в том смысле, что оно дает возможность определить форму сигнала на выходе оптического кабеля по любой заданной форме сигнала на его входе. Использование приведенной формулы дает полное описание формы выходного импульса и является характеристикой передачи оптического кабеля.

В отдельных случаях бывает достаточно найти лишь некоторые параметры, определяющие искажения сигналов; тогда пользуются частными оценками искажений. Эти оценки в основном относятся к уширению выходного импульса или к определению ширины его переднего фронта. Очевидно, что такие оценки должны быть привязаны к определенной форме входного импульса, так как уширение, связывающее ширину выходного импульса с шириной входного, зависит от формы последнего. В качестве нормированной формы входного импульса выбирается единичный или ступенчатый импульс l(t). Тогда для световода со ступенчатым профилем коэффициента преломления время нарастания сигнала находится по формуле Для реальных градиентных световодов, учитывая недостаточно точное поддержание постоянства профиля показателя преломления, По существу, приведенные выражения определяют приближенное значение переднего фронта переходной характеристики h(t). Если на входе кабеля сигнал отличается от прямоугольного, но продолжительность его T 2, причем передний фронт равен ф,вх, то время нарастания этого сигнала на выходе кабеля может быть приближенно оценено по формуле где соответствует случаю, когда на входе присутствует сигнал l(t).

Особо учитывается влияние материальной дисперсии, которая, напомним, определяется зависимостью скорости распространения излучения в материале волокна от оптической частоты. Так как скорость расc пространения оптической волны =, а показатель преломления завиn сит от частоты, возникает относительная задержка между частотами при распространении сигналов, содержащих несколько частот. С материальной дисперсией приходится считаться в связи с тем, что существующие источники оптического излучения излучают не одну частоту, а спектр оптических частот, который значительно шире спектра модулирующих.

В первом приближении учет материальной дисперсии можно сделать путем добавления к фронту переходной функции h(t) величины где f – ширина спектра излучателя; f 0 – его центральная частота.

1.6.5. Модуляционно-частотные характеристики и полоса пропускания волоконных световодов Искажения оптических сигналов, распространяющихся по световодам, свидетельствуют о том, что модуляционно-частотные характеристики последних должны быть нелинейными, спадающими. При этом вследствие искажения и ограничения спектров сигналов, введенных в световод, возникают искажения этих сигналов. Рассмотрим более подробно тот факт, что модуляционно-частотные характеристики световодов являются нелинейными и ограниченными. Предварительно необходимо отметить, что спектральная характеристика световода (т.е. зависимость его затухания от оптической частоты) в области, намного превосходящей диапазон модулирующих частот, не имеет спадающего характера, т.е. практически неограничена, а небольшие отклонения на таком участке спектральной характеристики от линейности несущественны и связаны с особенностями поглощения излучения в материале световода. Таким образом, спектральная характеристика практически не вносит искажений в сигнал. Иначе обстоит дело с частотными характеристиками.

Воспользуемся модовым представлением оптических сигналов. Допустим, для простоты рассуждений, что все моды имеют одинаковые мощности и мощность каждой моды изменяется по синусоидальному закону в соответствии с частотой модуляции. В начале световода фазы всех огибающих составляющих мощностей, переносимых модами, были одинаковы. По мере распространения мод по световоду вследствие различия в коэффициентах распространения фазы расходятся и равнодействующие всех составляющих (суммарный вектор) уменьшаются, а равнодействующая фаза (суммарного вектора) изменяется. Такое расхождение фаз, а следовательно, изменение значения суммарного вектора и его фазы, будет иметь место и при изменении модулирующей частоты, с увеличением которой также увеличивается расхождение фаз. В результате такого процесса по мере увеличения и длины световода l модулированная мощность излучения уменьшается. Вследствие сложной зависимости фазы каждой из мод от частоты и длины световода сложение составляющих векторов, т.е. интерференция огибающих мощностей, также происходит по сложному закону и дает периодические нулевые значения суммарного вектора, т.е. затухающую осцилляцию.

Качественно зависимость k() может быть объяснена на основе следующего физического рассмотрения.

Каждой моде соответствует некоторый вектор А, значение которого на расстоянии l от начала световода где А0 – вектор в начале световода; () – коэффициент фазы; – коэффициент затухания.

Зависимость () определим исходя из того, что при небольшом ее изменении, т.е. 100;

где А, В, С и m – соответствующие выражения, зависящие от параметров световода.

При длине световода l = 1 км граница t0 = 100 соответствует частоте F = = 3 МГц, т.е. при l > 1 км F < 3 МГц.

Для фазо-частотной характеристики Для ступенчатого профиля Для градиентного профиля (g = 2) Приведенные выражения не учитывают неоднородностей в реальных световодах, а также случай неравенства мощностей мод.

Ширина полосы пропускания находится на уровне 0,5 от максимального значения амплитудно-частотной характеристики. Экспериментальные значения ширины полосы для волокон со ступенчатым профилем показателя преломления в зависимости от числовой апертуры лежат в пределах 15–25 МГц.

Рассчитанная по приведенным формулам ширина полосы градиентного волокна составляет около 10 ГГц (g = 2, = 0,01, n1 = 1,5 ). Однако это значение больше тех, которые соответствуют реальным световодам. Это объясняется тем, что ширина полосы существенно зависит от степени постоянства распределения коэффициента преломления по световоду. Так, отклонение величины g от оптимального значения на 0,05 приводит к уменьшению ширины полосы частот более чем на порядок.

С увеличением всякого рода неоднородностей ширина полосы несколько увеличивается, так как скорости распространения мод выравниваются. Такое выравнивание будет тем больше, чем длиннее путь распространения сигнала. В связи с этим существенной является связь между шириной полосы оптического кабеля и его длиной. Строгое рассмотрение этого вопроса затруднено чрезвычайной сложностью количественной оценки неоднородностей. Однако опыт показывает, что на расстояниях l > lN, ширина полосы кабеля обратно пропорциональна его длине, т.е. если F – ширина полосы кабеля длиной 1 км, то кабель длиной l будет иметь полосу частот Однако на заметном интервале длин, несколько больших или меньших lN, F0 в зависимости от длины кабеля изменяется по некотоF рому закону F0 =. Такое положение объясняется тем, что lN не имеет резко выраженного значения. Чем больше неоднородностей в световоде, тем меньше lN. Значение lN изменяется для разных оптических кабелей от нескольких сотен метров до 2 км.

В некотором приближении амплитудно-частотная характеристика кабеля может быть описана следующим выражением:

тогда Величина F является частной оценкой частотных характеристик и не дает полного представления об искажениях сигнала. Однако оценка по F является широко принятой и достаточно существенной. В частности, зная значения ширины полосы входного и выходного импульсов F1 и F2, можно определить уширение выходного импульса где – коэффициент, зависящий от формы импульса.

Для импульса гауссовой формы = 0,22; для прямоугольного импульса = 0,73. Ширина полосы определяется при этом как интервал частот, в котором сосредоточено 0,9 всей энергии импульса. В ряде случаев используется понятие среднеквадратической ширины импульса и среднеквадратической ширины полосы частот: и F. В этих случаях, например, уширение импульса = 2 1, однако применение этих параметров не всегда оправданно.

Если линия составлена из N отдельных оптических кабелей с разными Fк, где к – порядковый номер отдельного кабеля, то общая полоса частот F0 может быть получена из следующей формулы:

где х = 0,6...0,7 – коэффициент, зависящий от преобразования мод.

С шириной пропускания передаваемых частот, как известно, связана пропускная способность оптического кабеля. Исходя из особенностей оптических систем связи, в них в основном принято временное разделение каналов с импульсно-кодовой модуляцией. При этом мгновенному значению уровня модулирующего сигнала передаваемой информации соответствует некоторая кодовая комбинация (группа) одинаковых импульсов (в пределах установленного числа разрядов кодовой группы).

Если число передаваемых телефонных каналов N, число разрядов кодовой группы m, то полоса частот, которую необходимо передать, составляет F 8000 Nm.

При этом m принимается равным 7–8. Тогда при m = 7 минимальная ширина полосы частот составит F = 56 000 N.

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИЯ И ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

2.1. Принципиальное устройство оптического волокна Оптическое волокно (ОВ) (световод) имеет два концентрических слоя – ядро (сердцевина) и оптическая оболочка (рис. 2.1). Внутреннее ядро предназначено для переноса света. Окружающая его оболочка имеет отличный от ядра показатель преломления и обеспечивает полное внутреннее отражение света в ядро. Показатель преломления оптической оболочки менее чем на 1 % меньше показателя преломления ядра.

Характерные величины показателей преломления: 1,47 для ядра и 1, для оптической оболочки. Производители волокна строго контролируют разность показателей для получения нужных характеристик волокна.

Волокна имеют дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет ядро и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства.

Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов. На рис. 2.2 представлена схема распространения света по волокну. Свет заводится внутрь волокна под углом больше критического к границе ядро – оптическая оболочка и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения Рис. 2.1. Структура световода Свет, попадающий на границу под углом меньше критического, будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка обычно не предназначена для переноса света, и свет в ней достаточно быстро затухает. Отметим, что в ситуации, представленной на рисунке выше, свет будет также преломляться на границе воздух – волокно. И только после этого его распространение будет происходить в соответствии с законом Снелла и значениями индексов преломления ядра и оптической оболочки. Внутреннее отражение служит основой для распространения света вдоль обычного оптического волокна. В этом анализе, однако, учитываются только меридианные лучи, проходящие через центральную ось волокна после каждого отражения. Другие лучи, называемые асимметричными, движутся вдоль волокна, не проходя через его центральную ось. Траектория асимметричных лучей представляет собой спираль, накручивающуюся вокруг центральной оси. Асимметричные лучи, как правило, игнорируются в анализе большинства волоконно-оптических процессов.

Рис. 2.2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне Специфические особенности движения света вдоль волокна зависят от многих факторов, включая:

– размер волокна;

– состав волокна;

– процесс инжекции света внутрь волокна.

Понимание взаимного влияния этих факторов проясняет многие аспекты волоконной оптики.

Рис. 2.3. Типичные диаметры ядра и оптической оболочки Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр. Поперечные сечения и диаметры для ядра и оптической оболочки четырех наиболее распространенных видов волокон представлены в табл. 2. и на рис. 2.3.

2.2. Индекс преломления и модовая структура Кварцевые 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. Если морская вода была бы столь прозрачной, как волокно, то можно было бы увидеть дно самой глубокой океанской впадины – Марианской (11 022 м), расположенной в Тихом океане. В стекло добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления. Германий и фосфор, например, увеличивают показатель преломления, а бор и фтор, напротив, уменьшают его. Кроме того, в стекле присутствуют другие примеси, не извлеченные в процессе очистки. Они также влияют на свойства волокна, увеличивая затухание, обусловленное рассеянием и поглощением света.

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.

В соответствии с этой классификацией на рис. 2.4 показаны три основные особенности волокон.

Рис. 2.4. Типы распространения света в волокне: а – многомодовое волокно со ступенчатым индексом; б – одномодовое волокно со ступенчатым индексом;

в – многомодовое волокно со сглаженным индексом; 1 – входной импульс;

2 – дисперсия; 3 – выходной импульс; 4 – коэффициент преломления; 5 – мода 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 делает 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 сглаженным индексом).

3. Одномодовое волокно со ступенчатым индексом (одномодовое волокно).

Характеристики каждого из типов волокон в существенной степени определяются областью применения.

2.2.1. Волокно со ступенчатым индексом Многомодовое волокно со ступенчатым индексом – наиболее простой тип волокон. Имеет ядро диаметром от 100 до 970 мкм и может быть чисто стеклянным, PSC или пластиковым. Данный тип волокна является наиболее распространенным, хотя и не обеспечивает максимальную полосу пропускания 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 нс/км. Это означает, что лучи света, попадая в волокно одновременно, достигают противоположного конца волокна длиной в 1 км с интервалом от 15 до 30 нс. При этом первыми приходят лучи, двигающиеся вдоль центральной оси.

15 или 30 нс 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.

2.2.2. 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 профиля показателя преломления приводит к уменьшению дисперсии до 1 нс/км и менее. Популярные виды данного типа волокон имеют диаметры ядер 50, 62,5 и 85 мкм, а диаметр оптической оболочки 125 мкм. Эти волокна используются там, где требуются широкие полосы пропускания, в частности в передаче телевизионного сигнала, локальных сетях, компьютерах и т.д. Волокно 62,5/125 является наиболее популярным и широко распространенным.

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 мкм. Стандартный диаметр переходного слоя составляет 125 мкм 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 волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, что обеспечивает стандартизацию размеров волокон.

– Такой 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 пропускания 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.

2.3. Основные технологические характеристики световодов Дисперсия – расплывание светового импульса по мере его движения по оптическому волокну. Дисперсия ограничивает ширину полосы пропускания и информационную емкость кабеля. Скорость передачи битов должна быть при этом достаточно низкой, чтобы избежать перекрытия различных импульсов. Чем ниже скорость передачи сигналов, тем реже располагаются импульсы в цепочке и тем большая дисперсия допустима. Существует три вида дисперсии:

1) модовая дисперсия;

2) молекулярная дисперсия;

3) волноводная дисперсия.

Модовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам.

Она возникает из-за того, что лучи проходят различные пути и, следовательно, достигают противоположного конца волокна в различные моменты времени. Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя способами:

1) использование ядра с меньшим диаметром, поддерживающим меньшее количество мод. Ядро диаметром 100 мкм поддерживает меньшее число мод, чем ядро в 200 мкм;

2) использование волокна со сглаженным индексом, чтобы световые лучи, прошедшие по более длинным траекториям, двигались со скоростью, превышающей среднюю, и достигали противоположного конца волокна в тот же момент, что и лучи, движущиеся по коротким траекториям;

3) использование одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

Лучи с различными длинами волн также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Показатель преc ломления n =, где c – скорость света в вакууме; – скорость, соответствующая длине волны в веществе. Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется молекулярной дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Уровень дисперсии определяют два фактора:

1. Диапазон длин волн света, инжектируемого в волокно. Как правило, источник не может излучать одну длину волны; он излучает несколько. Диапазон длин волн, выраженный в нанометрах, называется спектральной шириной источника. Светодиод (СИД) характеризуется большей спектральной шириной, чем лазер, около 35 нм для светодиода и от 2 до 3 нм для лазера.

2. Центральная рабочая длина волны источника. В области 850 нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) волнами. Волны длиной 860 нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм.

В области 1550 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна длиной 1560 нм движется медленнее, чем волна длиной 1540 нм. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300 нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией. Молекулярная дисперсия является основным видом дисперсии в одномодовых системах. Напротив, в многомодовых системах наиболее существенной является модовая дисперсия, так что молекулярной дисперсией можно пренебречь. Во многих случаях модовая дисперсия не играет никакой роли при конструировании волоконных систем. Скорости слишком малы или расстояния слишком незначительны.

Диапазон длин волн от 820 до 850 нм часто используется для передачи во многих волоконно-оптических системах. В этом диапазоне длин волн молекулярная дисперсия равна примерно 0,1 нс/нм ширины спектра.

Волноводная дисперсия (наиболее важный вид дисперсии в одномодовых волокнах) обусловлена тем, что оптическая энергия движется как по ядру, так и по оптической оболочке. А так как они имеют различные показатели преломления, то излучение движется со слегка различающимися скоростями в ядре и оптической оболочке. Изменение внутренней структуры волокна позволяет существенно влиять на волноводную дисперсию, тем самым изменяя специфицированную общую дисперсию волокна. Это является одним из перспективных направлений разработки одномодовых систем.

Затуханием называется потеря оптической энергии по мере движения света по волокну. Измеряемое в децибелах на километр, оно изменяется от 300 дБ/км для пластикового волокна до примерно 0,21 дБ/км для одномодового волокна. Затухание зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. На заре своего развития оптические волокна работали в окне прозрачности от 820 до 850 нм. Второе окно относится к области нулевой дисперсии вблизи 1300 нм, третье окно – вблизи 1550 нм. Типичное волокно со структурой показателя преломления 50/125 имеет затухание 4 дБ/км при 850 нм и 2,5 дБ/км при 1300 нм, что соответствует увеличению эффективности передачи на 30 %. Области высокого затухания находятся вблизи 730, 950, 1250 и 1380 нм. Лучше избегать работы в этих диапазонах. Регулирование потерь в волокне может быть достигнуто выбором соответствующей длины волны для передачи. Снижение потерь в волокне требует, чтобы источник света работал в области длин волн с наименьшим затуханием. Пластиковое волокно лучше всего работает в видимом диапазоне около 650 нм. Важнейшей особенностью затухания в оптическом волокне является его независимость от частоты модуляций внутри полосы пропускания. В медных кабелях затухание увеличивается с частотой сигнала: чем больше частота, тем больше затухание. В результате частота сигнала ограничивает расстояние, на которое может быть послан сигнал.

Для увеличения этого расстояния требуется повторитель, осуществляющий регенерацию сигнала. В оптическом волокне оба эти сигнала будут иметь одинаковое затухание. Затухание в волокне определяется двумя эффектами: рассеянием и поглощением.

Потери, связанные с рассеянием оптической энергии, обусловлены неоднородностью волокна и его геометрической структурой. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях, и свет перестает быть направленным (рис. 2.5).

Рэлеевское рассеяние обусловлено вариациями состава и плотности волокна, неизбежными в процессе его производства. Поскольку интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, то она быстро уменьшается по мере роста длины волны. Рассеяние определяет минимальный теоретический предел затухания, равный 2,5 дБ при 820 нм, 0,24 дБ при 1300 нм, 0,012 дБ при 1550 нм.

Поглощением называется процесс, при котором неоднородности волокна поглощают оптическую энергию и преобразуют ее в тепло. При этом свет становится более тусклым. Области существенного затухания сигнала волокна связаны с молекулами воды и большим поглощением света гидроксильными молекулами. К другим неоднородностям, обусловливающим поглощение, относятся ионы железа, меди, кобальта, ванадия и хрома. Для обеспечения низких потерь производители волокна должны поддерживать концентрацию этих ионов на уровне одной миллиардной. Современная технология производства волокна позволяет добиваться этого в контролируемых условиях особо чистого окружения, поэтому проблема поглощения света в волокне не столь важна, как несколько лет назад.

Этот вид затухания связан с небольшими вариациями профиля границы ядро – оптическая оболочка. Данные вариации границы могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, не допускающими дальнейших отражений (рис. 2.6). При этом свет покидает волокно. Микронеоднородности границы могут возникнуть при производстве волокна. Развитие технологий производства направлено на уменьшение этих микронеоднородностей.

Численной апертурой (Numeric aperture – NA) называется способность волокна собирать лучи. Только лучи, которые инжектируются в волокно под углом больше критического, смогут распространяться вдоль него. NA зависит от свойств материалов волокна и определяется показателями преломления ядра и оптической оболочки:

Таким образом, численная апертура является безразмерной величиной. Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом, угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно.

Входной конус связан с NA следующими соотношениями:

где – половина угла ввода.

NA волокна является важной характеристикой, так как она указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Волокно с большим значением NA хорошо принимает свет, в то время как в волокно с малым значением NA можно ввести только узконаправленный пучок света.

Как правило, волокна с широкой полосой пропускания имеют малые значения NA. Таким образом, они допускают существование малого числа мод, означающее малую дисперсию и более широкую рабочую полосу. Значения NA изменяются от 0,5 в пластиковом волокне до 0, в волокне со сглаженным профилем показателя преломления. Большое значение NA подразумевает большую модовую дисперсию и, как следствие, большее количество возможных световых траекторий (рис. 2.7).

Свет в одномодовом волокне не испытывает отражения или преломления, он не распространяется под углом к границе волокна. Аналогично в случае одномодового волокна свет не заводится под углами внутри входного конуса до полного внутреннего отражения. Таким образом, в одномодовом волокне NA может быть определена чисто формально, особенного значения для практики она не имеет.

Pages: |

| 2 | 3 |

Главная >> Программы

[ СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА .pdf ]

Похожие работы:

«Порядок закрепления тем и примерная тематика магистерских диссертаций Направление подготовки 081100.68 Государственное и муниципальное управление Магистерская программа Муниципальное управление Квалификация (степень) Магистр 2 Порядок закрепления тем магистерских диссертаций по специальности Государственное и муниципальное управление (дневное и вечернее отделение) Магистерская диссертационная работа – самостоятельное творческое исследование студента (магистранта) выпускного курса. Она играет...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский г осударственный горный университет (ФГБОУ ВПО УГГУ) УТВЕРЖДАЮ Ректор ФГБОУ ВПО Уральский государственный горный университет Н. П. Косарев 28 марта 2014 года ПРАВИЛА ПРИЕМА на 2014/2015 учебный год в Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный горный университет для обучения по...»

«ФГОС ИННОВАЦИОННАЯ ШКОЛА ПРОГРАММА КУРСА ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА. 5—9 классы Авторы-составители: Т.В. Андрюхина, С.В. Гурьев Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту Москва Русское слово 2012 УДК 372.016:94(47)*06/07(073) ББК 74.267.5 П 84 Авторы-составители Т.В. Андрюхина, С.В. Гурьев Программа курса. Физическая культура. 5—9 классы / П84 авт.-сост. Т.В. Андрюхина, С.В. Гурьев. — М.: ООО Русское слово — учебник, 2012. — 64 с. — (ФГОС. Инновационная школа). Программа...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет Педагогический факультет Кафедра теологии Утверждаю Декан педагогического факультета Т.В. Бабушкина 2010 г. Учебно-методический комплекс по дисциплине ОПД.В.1.01 Православие и русская литература XVIII-XX вв. Для студентов 2,3 курса очной формы обучения 2 курса заочной формы обучения (5 лет) 1 курса заочной формы обучения (3 года) 031900.62...»

«Министерство образования и науки Республики Бурятия Муниципальное общеобразовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа № 20 Аттестационные материалы Портфолио на первую категорию ФИО Епифанцева Евгения Николаевна Должность Учитель информатики и математики Имеющаяся категория вторая Заявленная категория первая г. Улан-Удэ 2012 г. Структура портфолио Раздел 1. Общие сведения об аттестуемом 1.1. Ф.И.О., должность, образование, отраслевые награды, почетные грамоты. 3 1.2 Данные о...»

«Конференция Космос и человек, г. Грац (Австрия), май 2005 г. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ МАЛИТИКОВ Е.М., ДТН, профессор Председатель Межгосударственного Комитета СНГ по распространению знаний и образованию взрослых МЕНЬШИКОВ В. А, ДТН, профессор, член-корр. Международной академии космонавтики Директор НИИ КС - филиала ГКНПЦ им. М.В. Хруничева ЛЫСЫЙ СР., кандидат технических наук Зам. начальника комплекса НИИ КС - филиала...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НГУ) Кафедра общей информатики Михаил Станиславович Дьяков Программный пакет для генетического анализа сложных количественных признаков МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ по направлению высшего профессионального образования 230100.68 ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ФАКУЛЬТЕТ...»

«Russian Edition Grade 4 Mathematics Test, Book 2 May 5–7, 2010 Программа тестирования штата Нью-Йорк Тест по математике Книга 2 4 Класс Mай 5–7, 2010 Фамилия и имя_ 21648-R Developed and published by CTB/McGraw-Hill LLC, a subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc., 20 Ryan Ranch Road, Monterey, California 93940-5703. Copyright © 2010 by the New York State Education Department. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any means, or...»

«ПИСЬМО Роспотребнадзора от 13.04.2009 N 01/4801-9-32 О ТИПОВЫХ ПРОГРАММАХ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО КОНТРОЛЯ ПИСЬМО Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека направляет для информирования хозяйствующих субъектов и руководства в работе Типовые программы проведения производственного контроля на предприятиях общественного питания, пищевой промышленности, в лечебно-профилактических учреждениях, учреждениях бытового обслуживания населения. Руководитель...»

«Основная образовательная программа основного общего образования МБОУ Гимназия №1 г. Балаково Саратовской области Страница 1 Основная образовательная программа основного общего образования МБОУ Гимназия №1 г. Балаково Саратовской области Общие положения Основная образовательная программа основного общего образования МБОУ Гимназия №1 г.Балаково Саратовской области разработана в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта основного общего образования (далее...»

«Юридический факультет Кафедра Государственно-правовые дисциплины УТВЕРЖДАЮ Первый проректор С. В. Шалобанов подпись _ 2012 г. ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ АДМИНИСТРАТИВНО-ПРАВОВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ СОБСТВЕННОСТЬЮ для специальности 030501.65 Юриспруденция Хабаровск 2012 г. Программа разработана в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ГОС ВПО), предъявляемыми к минимуму содержания дисциплины с учетом особенностей региона и...»

«ПОЛОЖЕНИЕ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИНСТИТУТА Положение разработано в соответствии с Федеральным законом Российской Федерации от 29 декабря 2012 года № 273-ФЗ Об образовании в Российской Федерации (далее ФЗ № 273 - ФЗ), Федеральным законом Российской Федерации от 23 августа 1996 года № 127-ФЗ О науке и научно-технической политике (далее № 127-ФЗ), приказами и распоряжениями ректора вуза, решениями Ученого Совета вуза, другими локальными нормативными актами. Данное положение...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Уральский государственный лесотехнический университет Кафедра менеджмента и внешнеэкономической деятельности предприятия Программа учебной дисциплины Экологический менеджмент в лесопромышленном комплексе ДНМ.В.04.02 Для направления 080500.68 – менеджмент Кафедра менеджмента и ВЭД предприятия Семестр 9 Всего часов: 74 Аудиторных часов 36 Лекции 22 Лабораторные работы Практические занятия 14 Самостоятельная работа 38 Контрольные мероприятия Экзамен Составитель...»

«Минобрнауки России Филиал государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Вятского государственного гуманитарного университета в г. Кирово-Чепецке Кафедра бухгалтерского учета и информационных технологий УТВЕРЖДАЮ зав. кафедрой Е.В. Шубникова 28 сентября 2010 г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС учебной дисциплины Социология для специальности: 080109.65 Бухгалтерский учет, анализ и аудит Кирово-Чепецк Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с ГОС...»

«Петербургский международный форум профессионального образования 04–07 октября 2013 года Информационное письмо № 125 от 26 августа 2013 г. Приглашаем вас принять участие в Петербургском международном форуме профессионального образования. В программе форума: • VIII Всероссийская конференция Перспективы развития среднего профессионального образования в России • Работа по секциям и круглый стол • Встреча с руководителями профильных комитетов ГД РФ и СФ РФ • Обмен опытом – посещение передовых...»

«СТРАТЕГИЯ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И СОХРАНЕНИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ В XXI ВЕКЕ МАТЕРИАЛЫ ВСЕРОССИЙСКОЙ НАУЧНОЙ МОЛОДЕЖНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ 7-10 декабря 1999 года Федеральная целевая программа Государственная поддержка высшего образования и фундаментальной наук и на 1997-2000 годы АДМИНИСТРАЦИЯ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ ИНСТИТУТ СТЕПИ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ОРЕНБУРГ-1999 Редакционная коллегия: Чибилев АЛ. -...»

«Департамент образования города Москвы Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы Московский городской педагогический университет Институт естественных наук Утверждаю Ректор ГБОУ ВПО МГПУ И.М. Реморенко _2013 г. ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ (проект) Направление подготовки 050100.62 Педагогическое образование Профиль подготовки Биология, иностранный язык Квалификация (уровень) бакалавр Нормативный срок освоения...»

«Балаковский инженерно-технологический институт филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ Кафедра Подъмно-транспортные, строительные и дорожные машины РАБОЧАЯ ПРОГРАММА по дисциплине С.3.2.3. Устройства и приборы безопасности специальности 190109.65 Наземные транспортно-технологические средства Специализация №2 Подъмно-транспортные, строительные, дорожные средства и...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет УТВЕРЖДАЮ Декан экономического факультета Д.И.Мамагулашвили 2012 г. Учебно-методический комплекс по дисциплине Товароведение и экспертиза электронных и электробытовых товаров для студентов 4 курса 080401 Товароведение и экспертиза товаров (по областям применения) Форма обучения очная Обсуждено на заседании кафедры Э и УП...»

«CACFish:III/2014/5 R Май 2014 РЕГИОНАЛЬНАЯ КОМИССИЯ ПО РЫБНОМУ ХОЗЯЙСТВУ И АКВАКУЛЬТУРЕ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ И НА КАВКАЗЕ ТРЕТЬЯ СЕССИЯ 2-4 июня 2014 Баку, Азербайджан ОТЧЁТ О ХОДЕ РЕАЛИЗАЦИИ ПЯТИЛЕТНЕЙ ПРОГРАММЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ CACFish (2011-2015 гг.) ВВЕДЕНИЕ Цель настоящего документа – представить отчёт о состоянии, ходе выполнения и 1. проблемах, возникающих при реализации Пятилетней региональной программы деятельности (2011-2015 гг.) (РПД) CACFish. Настоящий документ следует рассматриваться...»

наверх

<< ГЛАВНАЯ | КОНТАКТЫ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ, ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ,

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ОПТИКИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИЯ И ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА (Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ, ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ,

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ОПТИКИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИЯ И ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)