Причины ухудшения пропускающей способности оптических волокон

В настоящее время расстояние между регенерационными станциями в оптоволоконных телекоммуникационных линиях, определяемое пропусканием волокна, превышает 100 км. Это оказалось возможным благодаря двум факторам: высокому качеству методов и технологий производства волокна; материалам, из которых изготовлены сердцевина и оболочка волокна.

Потери в волокне происходят по причине наличия дисперсии и ослабления сигнала. Существует три механизма, из-за которых может произойти ослабление сигнала, то есть уменьшиться интенсивность распространяющегося света.

Ослабление в оптоволокне светового сигнала может происходить из-за поглощения фотонов материалом оптического волокна. Если фотон, имеет нужную для перехода энергию, то он может быть поглощен материалом световолокна. Эта энергия переводит молекулу вещества в возбужденное состояние и высвобождается некоторое время спустя, когда молекула возвращается в свое новое состояние. Общий эффект состоит в увеличении тепловой энергии вещества. Электронные энергетические уровни в кварцевых волокнах соответствуют энергиям фотонов в ультрафиолетовой области.

Кроме того, молекулы вещества могут колебаться относительно своих положений равновесия. Кинетическая энергия колебаний имеет дискретные значения, для возбуждения которых может быть израсходована энергия фотона. Этот диапазон поглощения соответствует инфракрасной области спектра излучения. В связи с этим существует минимум поглощения в области 1,55 мкм, образуя окно прозрачности.

Гораздо более высокие потери из-за поглощения могут возникнуть ввиду малых следов примеси металлов в стекле, таких как медь и железо. Они могут содержаться в исходном материале или быть внесены в процессе производства волокна. Современные технологии позволяют решить эту задачу. Однако, оказалось очень трудно избавиться от радикала ОН. Максимум этого поглощения присутствует на различных длинах волн.

Воздействие на волокно ионизирующей радиации или ультрафиолета приводит к увеличению поглощения. При этом ионы образуются в стекле и становятся центрами поглощения. Но это явление можно использовать и для регистрации определенного типа излучения.

Ослабление сигнала может возникнуть и вследствие утечки света из сердцевины в оболочку волокна. Вне его осевые лучи, называемые косыми лучами, могут войти в волокно и распространиться за счет отражений под углом, меньшим критического. Они могут пройти по спирали сотни метров, но, в конце концов, будут потеряны.

Если волокно изогнуто, то лучи будут падать на внутреннюю поверхность под углом меньшим критического и частично выходить в оболочку. Поэтому производители волокна указывают минимально допустимый радиус изгиба волокна.

В процессе производства, по мере затвердевания волокна, возникают небольшие неравномерности в показателе преломления. Они вызваны флуктуациями плотности и концентрации примесей. Неравномерности имеют размер в пределах десятых долей длины волны света в материале. Этот фактор является причиной рассеяния излучения за пределы волокна. Так как излучение обратно пропорционально длине волны в четвертой степени, то короткие длины волн испытывают при этом наиболее сильное рассеяние. Для современных волокон эта причина потерь является одной из основных.

Оконцовки и соединения оптического волокна также вызывают поглощение и рассеяние света, в том числе и за счет отражения. Для согласования показателей преломления материалов в месте их соединения используют жидкость или клей. Однако наилучшим способом соединения волокон является их юстировка и спаивание. Существуют и разъемные соединители (коннекторы).

Известно, что свет может разлагаться с помощью призмы на отдельные составляющие. Это свидетельствует о наличии явления дисперсии света в веществе. Показатель преломления материала оптоволокна зависит от длины волны, а скорость распространения волны зависит от ее длины. В связи с этим, так как ни один источник света не является монохроматическим, длительность импульса света, введенного в оптическое волокно, увеличивается по мере распространения. Это явление называется хроматической (цветовой) дисперсией, является внутримодовой дисперсией. В результате этого групповая скорость распространения импульса зависит от второй производной показателя преломления по длине волны.

Таблица 6.1

Сравнительная характеристика видов телеметрических линий
Характеристика	Витая пара	Коаксиальный кабель	Оптическое волокно
Ослабление (дБ/км)	3	2	1 (кварц)
«Расстояние×ширина полосы» (МГц×км)	1
Дистанция регенерации (км)	1	5	100
Стоимость	Низкая	Средняя	Средняя
Срок службы (лет)	25…40
Перекрестные помехи	Высокие	Малые	Нет
Помехозащищенность	Малая	Средняя	Высокая
Электрическая изоляция	Нет	Нет	Полная
Вес, размер	Большие	Большие	Малые
Технология соединений	Пайка	Пайка	Сварка
Контроль производства	Слабый	Умеренный	Точный

 

Для достижения полного внутреннего отражения слой плакировки волокна должен иметь более низкий коэффициент преломления. Для защиты от внешних воздействий на волокно обычно наносится пластиковое или резиновое покрытие.

Рисунок 6.9 Оптические волокна. А – многослойное волокно со ступенчатым профилем коэффициента преломления, Б – определение максимального угла входа луча света

Таким образом получают многослойные оптоволоконные кабели со ступенчатым профилем коэффициента преломления (рисунке 6.9). Свет различных мод распространяется под разными углами к оси волокна, различна скорость их распространения (дисперсия мод). Поэтому проще использовать одномодовые волокна.

 

6.4 Волоконно-оптические световоды, кабели, линии связи

В реальных условиях довольно часто встречаются ситуации, когда для подачи или съема оптического сигнала требуется применение световодов. Это может определяться компактностью конструкции оборудования либо невозможностью размещения приемника, традиционной оптики или источника (осветителя) в требуемом месте из-за их размеров, необходимостью разветвления или сбора светового потока по нескольким каналам, потребностью в четком представлении на плоскости (торце световода), увеличении или уменьшении площади анализируемого участка и т.п.

Рисунок 6.10 Примеры световодов различных типов

 

Для этих целей используются типовые решения в виде ординарных светопроводов в стандартном обрамлении, жгуты разветвленных световодов (ответвителей и коллекторов), фоконы, световоды с упорядоченной (регулярной) укладкой волокон и др. Примеры перечисленных типов световодов приведены на рисунке 6.10.

Ординарный световод представляет собой гибкий жгутик из оптических волокон, склеенный или спеченный у концов, диаметром в доли миллиметра (может быть и больше и меньше), заключенный в резиновую (или пластмассовую) трубочку с металлическими наконечниками, отшлифованными по торцу заподлицо со светопроводом. Наконечники могут иметь резьбу для соединения с другими деталями оптической системы.

Световод может изгибаться по любому естественному радиусу, не выводящему луч за границу предельного угла полного внутреннего отражения (разумеется, не следует перегибать световод до залома волокон).

Разветвленные световоды предназначены либо для разделения (ответвитель) входного светового потока на несколько выходных, либо для сведения (коллектор) нескольких автономных оптических потоков, как правило, информационных, к одному пучку. Волоконно-оптический ответвитель часто применяются для разведения света от мощного источника по нескольким каналам, когда требуется обеспечить в множестве точек идентичное локальное освещение (например, при одномоментных измерениях оптической плотности в динамике процесса печати на машине по полосе контрольных меток). Если в ответвителе укладка волокон общего жгута может быть достаточно произвольной, то световод-коллектор отличается упорядоченностью расположения жгутиков ветвей в торце общего пучка. Они могут располагаться, например, в линию, в сотовом либо каком-то ином порядке. Это дает возможность создать на выходе коллектора из оптических сигналов отдельных ветвей фрагмент изображения.

Световоды с полностью упорядоченной укладкой используются в случае необходимости передачи изображения или его фрагмента без искажений из одной точки пространства в другую (не находящиеся, как правило, на одной оптической оси). Если входное и выходное изображение соосны, то могут применяться не гибкие, а жесткие волоконно-оптические световоды, отдельные волокна у которых скреплены (склеены) друг с другом. К этому типу световодов относятся и фоконы (фокон - фокусирующий конус), волокна которых имеют переменную площадь сечения по длине. Диаметры отдельных волокон могут быть в пределах 5-75 мкм. Это позволяет не только передавать, но и масштабировать изображение - уменьшать или увеличивать в зависимости от того, каким концом (расширенным или суженным) фокон обращен к источнику изображения.

Отдельные волоконно-оптические элементы эффективны при передаче оптической информации на небольшие расстояния, как правило, внутри корпуса или блока одного аппарата, машины. Для связи объектов, обменивающихся оптическими сигналами внутри одного помещения, здания или находящихся на больших расстояниях, требуются оптоэлектронные компоненты другого уровня - волоконно-оптические кабели, элементы интегральной оптики и другие специфические устройства связи, из которых образуются системы оптической связи. По оптическим кабелям без регенерации (промежуточного усиления, компенсирующего затухание сигнала на большом расстоянии) можно передавать информацию (в том числе видеосигналы) на сотни километров. Учитывая, что частота оптических колебаний на много порядков выше частот радиодиапазона, информация по таким линиям связи передается более эффективно - быстрее и с меньшими потерями, что существенно при работе с оцифрованными изображениями.

⇐ Предыдущая33343536373839404142Следующая ⇒

Поделиться: