Оптические волокна

Световод (оптическое волокно) представляет собой цилиндрическую нить, сердцевина которой оптически более плотная (большее значение п).

Оптические волокна, как правило, бывают двух типов - ступенчатыеи градиентные(рис. 3.1). Ступенчатые волокна представляют собой двухслойную структуру — сердечник с высоким показателем преломления и оболочка с показателем преломления меньшим, чем у сердечника (3.1, а). Свет не выходит из сердечника за счёт полного внутреннего отражения от границы между сердечником и оболочкой. В градиентных волокнах показатель преломления уменьшается от центра к краю поперечного сечения сердечника пропорционально квадрату радиуса (3.1, б).Свет проходит по такому волокну, периодически фокусируясь в точку на оптической оси, как через ряд линз.

При прохождении света через световод, происходит искажение формы сигнала, называемое дисперсией волны. Для рассмотрения явления межмодовой дисперсии можно условно разбить поток света, падающий от источника на торец волокна, на два луча, называемые в оптике модами. Первая мода распространяется вдоль оси световода по кратчайшему расстоянию между входом и выходом. Вторая мода входит под углом и проходит через световод, испытывая многократное внутреннее отражение, т.е. проходит больший путь (3.1, а).Разность фаз между этими модами на выходе и приводит к искажению сигнала вследствие интерференции мод. Такое явление называют дисперсией мод,а волокно, где происходит дисперсия мод, - многомодовым.

Кроме межмодовой дисперсии происходит и обычная вследствие того, что любой источник света (даже лазер) излучает в конечном диапазоне длин волн, а волны разной длины распространяются в световоде с разной скоростью из-за зависимости показателя преломления от длины волны света.

Для ослабления межмодовой дисперсии используются градиентный световод (рис. 3.1, б),в котором луч света, распространяющийся по искривлённой траектории, значительную часть пути проходит в областях с меньшим n, т.е. с большей скоростью v=c/n, чем осевой луч. Поэтому при различии длин двух световых путей время их прохождения лучами оказывается практически одинаковым.

Короткий импульс, проходя по ступенчатому волокну, удлиняется, из-за того, что моды, идущие под малыми углами к оси волокна, распространяются быстрее мод, идущих под большими углами. Таким образом, дисперсия мод ограничивает скорость передачи информации в оптической связи. В градиентном волокне лучи, проходящие разными путями, практически одновременно сходятся в точку, поэтому удлинение импульса меньше, чем в ступенчатом волокне, и скорость передачи возрастает. Для улучшения характеристик в ступенчатом волокне диаметр сердечника уменьшают до нескольких микрометров (рис. 3.1, в).В таком волокне все моды проходят только под малыми углами, что делает волокно практически одномодовымс ещё большей скоростью передачи информации.

При прохождении через световод неизбежны потери оптической мощности луча. Для количественной оценки потерь пропускания световода используется удельное затухание оптического сигнала, измеряемое обычно в дБ/ км, (3.1), где и мощности излучателя на входе и выходе световода длиной L, км.Эта формула аналогична формуле для затухания любой волны.

Все потери можно разделить на два вида.

Технологические потери, обусловленные наличием примеси в материале световода и различных дефектов (микроизгибы микротрещины, радиационные дефекты и т.д.), возникающих как в процессе изготовления световода, так и при его эксплуатации.

Фундаментальные потери присущие материалу. К ним относятся, во-первых, собственное поглощение в материале световода (связанное с электронными переходами между энергетическими уровнями атомов), и, во-вторых, рассеяние на различных флуктуациях состава (рэлеевские потери).

Исследования показали, что при передаче света по оптическим волокнам с увеличением длины волны снижаются потери от рэлеевското рассеяния, обратно пропорциональные четвертой степени длины волны. Но наряду с этим увеличиваются потери инфракрасного поглощения, возникающего из-за возбуждения инфракрасным излучением различных осцилляторов в материале оптического волокна. Теоретическая граница потерь - это минимум на кривой потерь, образованной сложением кривых рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения (рис. 3.2).

В кварцевых волокнах, использующиеся в настоящее время, потери снижаются практически до 1 дБ/км(рис. 3.2), хотя граница поглощения находится в области сравнительно коротких (0.85-1.55 мкм)волн. Это позволяет обеспечивать уверенный приём на расстоянии 50 – 100 км,т.е. в пределах городской связи не требуется промежуточного усиления оптического сигнала.

Дата добавления: 2015-08-05