Геометрические параметры волокна

 

Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна, в соответствии с рисунком 2.

 

Рисунок 2 − Ход лучей в многомодовом оптическом волокне со ступенчатом профилем показателем преломления

 

Относительная разность показателей преломления:

Один из важных параметров, который характеризует волокно, это относительная разность показателей преломления Δ:

 

Δ =(n²₁-n²₂)/2n²_1, (1)

 

где₁-показатель преломления сердцевины волокна, ₂-показатель преломления оболочки волокна.

Будем обозначать через n1 и n2 показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно. Если показатель преломления оболочки выбирается всегда постоянной величиной, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса. В этом случае для проведения различных оценок параметров волокна в место n1 используют n_1eff. Распространение света по волокну можно объяснить на основе принципа полного внутреннего отражения, вытекающего из закона преломления света Снеллиуса − световые лучи на границе раздела двух сред преломляются так, что произведение показателя преломления  на синус угла между нормалью к границе раздела и направлением луча, остается постоянным:

₁sinΘ ₁ = n₂sinΘ ₂, (2)

 

где

Θ ₁ - угол падения, ₁-показатель преломления сердцевины волокна,

Θ ₂ - угол преломления, ₂-показатель преломления оболочки волокна.

Критический угол падения:

Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n₁ > n₂), то существует критический угол падения Θ _C - внутренний угол падения на границу, при котором преломленный луч идет вдоль границы сред (Θ ₂ = 90°). Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:

 

Θ _C =arcsin(n₂/n₁), (3)

 

где₁ - показатель преломления среды 1, ₂ - показатель преломления среды 2,

arcsin - угол падения,

Если угол падения на границу раздела меньше критического угла падения (луч 2), то при каждом внутреннем отражении часть энергии рассеивается наружу в виде преломленного луча, что приводит в конечном итоге к затуханию света. Если же угол падения больше критического угла (луч 1), то при каждом отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению.

Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия в направляемых лучах не рассеивается наружу, такие лучи могут распространяться на большие расстояния.

Важным параметром, характеризующим волокно, является числовая апертура NA. Выражается формулой:

= sin Θ _A, (4)

 

где

sin Θ _A− угол вводимого в волокно излучения

Она связана с максимальным углом Θ _A вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну.

Затухание

 

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

Рисунок 3 − Спектр потерь и положение окон прозрачности в кварцевых волокнах

 

На распространение света в волокне влияют такие факторы, как: потери напоглощении, потери на рассеянии, кабельные потери.

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, а кабельные - дополнительные потерями.

В коротковолновой части диапазона потери ограничиваются релеевским рассеянием, а в длинноволновой части - инфракрасным поглощением. Релеевское рассеяние уменьшается с увеличением длины волны, а инфракрасное поглощение увеличивается. Абсолютный минимум потерь приходится на λ = 1550 нм.

Дисперсия

 

Дисперсия это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по оптическому волокну и определяется разностью длительностью импульсов на выходе и входе оптического волокна.

Рисунок 4 − Дисперсия в оптическом волокне

 

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон оптического волокна, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульса.

В оптике слово дисперсия означает зависимость показателя преломления вещества от длины волны, а в оптических системах связи - уширение световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду.

Уширение импульсов при передаче по ОВ зависит от формы передаваемого импульса, ширины спектра частот источника излучения и собственно дисперсии волокна.

Виды дисперсий:

Межмодовая (модовая) дисперсия преобладает в многомодовых оптических волокнах. Она обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно. Межмодовая дисперсия градиентных оптических волокон, как правило, на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси оптического волокна к оболочке, скорость распространения лучей вдоль их траекторий изменяется.

Модовая дисперсия может быть уменьшена следующими двумя способами:

использованием оптического волокна меньшим диаметром сердцевины, поддерживающей меньшее количество мод;

использование одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия и дисперсия в целом сказывается существенно меньше. Здесь проявляется хроматическая дисперсия.

Зависимость фазовой (групповой) скорости каждой направляемой моды от длин волны источника излучения, то есть нелинейная зависимость коэффициента фазы, приводит к различной временной задержке частотных составляющих моды, а следовательно, к расширению сигнала, образованного модами. Это явление называется хроматической дисперсией.

Хроматическая дисперсия складывается из волноводной дисперсией и дисперсией материальной.

Волноводная характеризуется направляющими свойствами сердцевины оптического волокна: зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. По этому волноводная дисперсия определяется профилем показателя преломления оптического волокна.

Материальная дисперсия в оптическом волокне обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна.

Для различных составляющих в общей дисперсии зависит от типа волокна. В ступенчатых ОВ при многомодовой передаче преобладает межмодовая дисперсия дисперсии.

В одномодовых волокнах материальная и волноводная дисперсия при определенных условиях могут взаимно компенсироваться, что обусловливает большую пропускную способность одномодового волокна.

В градиентных многомодовых ОВ необходимо учитывать межмодовую дисперсии и дисперсию материала.

Поляризационная модовая дисперсия.

В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью. Однако на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод.

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является некруглость сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна.

Поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах с нециркулярной сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией.

Сравнивая дисперсионные характеристики различных волокон, можно отметить, что наилучшими показателями обладают одномодовые оптические волокна, а наиболее сильно дисперсия проявляется в многомодовых оптических волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления.

 

Оптические кабели связи

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: