Материалы, применяемые для изготовления волоконных световодов.

Для изготовления ВС для ВОЛС в ос­новном используются сле­дующие четыре класса материалов:

1. Оксидные стекла: а) многокомпо­нентные, в основном силикатные (для ВОЛС, работающих в интервале длин волн = 0,8—0,9 мкм); б) кварцевые, в том числе легированные (преимущест­венно для =0,8—1,8 мкм) и в) много­компонентные типа германатных (для = 1,6—4,5 мкм).

2. Безкислородные многокомпонент­ные стекла (для =2— 20 мкм).

3. Моно- и поликристаллические мате­риалы (для = 2—20 мкм).

4. Полимерные, жидкостные материа­лы и реже газообразные среды.

На графике: r - длина волны n(r) – показатель преломления:

1- для материала: 13,5%GeO₂ + 86,5%SiO₂

2- для материала: SiO₂ 3 - для материала: 13,3%B₂O₃ + 86,7%SiO₂

29.Технологии изготовления световодов

Изготовление оптических волокон с малыми потерями обычно производится методами химического осаждения из газовой фазы или двойного тигля. Наибольшее применение нашел первый метод. Исходными материалами при этом методе являются хлориды кремния, бора, фосфора и германия. Одна из модификаций данного метода состоит в следующем. Поток хлоридов кремния и германия смешивается с кислородом и пропускается через кварцевую трубку диаметром 10—12 мм, разогреваемую до высокой температуры. В таких условиях происходит процесс окисления хлоридов и осаждение стекла на внутреннюю поверхность трубки. В простейшем случае осажденный слой стекла выполняет роль сердечника, а наружный слой кварца — роль оболочки. Для получения более высококачественных волокон между сердечником и оболочкой осаждается буферный слой стекла, что обеспечивает независимость характеристик распространения излучения от материала оболочки. Изменяя концентрацию хлорида германия, можно изменять значение показателя преломления осаждаемого стекла. Это используется для получения градиентных волокон. Увеличение показателя преломления сердечника достигается введением некоторых окислов, например GeО₂, P₂O₅. Для снижения же показателя преломления оболочки применяется примесь В₂О₃. Необходимый профиль показателя преломления достигается соответствующим регулированием скорости потока и концентрации газов в процессе осаждения. Затем трубка сжимается в стержень, из которого вытягивается волокно нужных размеров. Для предотвращения вариаций диаметра волокна с процессе вытягивания необходима хорошая стабилизация температуры и скорости вытягивания.

Надежность оптических волокон повышается путем нанесения в процессе вытяжки на них покрытия, защищающего от воздействия окружающей среды. В качестве материалов для защитных покрытий используются как диэлектрики, так и металлы (индий, олово, алюминий и Др.). Толщина металлических покрытий coставляет несколько микрометров.

Световоды для устройств интегральной оптики имеют значительно большее затухание. Как. правило, оно изменяется в пределах от ОД до 1 дБ/см и зависит от используемых материалов и технологических методов получения световода, Наиболее известны следующие методы: высокочастотное распыление, вакуумное нанесение, эпитаксиальное выращивание, пиролиз (химическое осаждение из паровой фазы), осаждение из раствора, обработка поверхности подложки различными видами излучений (ионами протонами и др.). Некоторые материалы, используемые в интегральной оптике, являются монокристаллами (например, ниобат или танталит литии). Получение из них высококачественных тонких волноводных пленок связано с большими трудностями. В таких случаях для получения световода на верхней поверхности монокристалла с помощью диффузии или ионного обмена создастся тонкий слой с более высоким показателем преломления.

30.Наближенні рішення рівнянь Максвела для круглих слоїстих світловодів.

Лучевой метод расчета волоконных свето­водов не дает полной картины распространения волн в ступенчатом ОВ. Поэтому необходимо обращаться и к волновому методу решения уравнений Максвелла или волнового уравнения. Волновое уравнение в цилиндрической системе координат г, φ, z относительно компо­нентов электрического поля или магнитного поля Hz, изменяющихся во времени t и вдоль оси z волокна, в виде

переходит в уравнение Гельмгольца:

где χ - поперечное волновое число, или собственное значение; β- фазовая постоянная.

Для описания поведения электромагнитного поля в сердцевине (0<r<а) и в оболочке (a <r <b) необходимо использовать различные функции. Для простоты решения уравне­ния (2.51) предположим, что оболочка ОВ с п2 на рис. 2.19 простирается до бесконечности (d=oo). В таком случае п в формуле (2.52) равно или n1 в середине ОВ, или п2 во внешней сре­де. Для нахождения бегущих вдоль оси z волн необходимо для внешней среды положить

чтобы поле в радиальном направлении в среде и, убывало. Тогда решение уравнения Гельмгольца можно записать:

для сердцевины ОВ с показателем преломления п1в виде:

2.54

а для оболочки с п2, в виде:

(2.55)

решения (2.54) и (2.55) дают возможность изучить условия распростра­нения волн в ступенчатом ОВ. В решениях (2.54) и (2.55) Ат Вт Ст и Dm - постоянные ин­тегрирования; Jn, Nn - функции Бесселя первого и второго рода п-то порядка, соответствен­но; In и Кn — видоизмененные (модифицированные) функции Бесселя первого и второго рода и-го порядка, соответственно.

При r—>0 значение Nn—> -со. Но так как поле на оси сердцевины не может приобретать бесконечные значения, то необходимо положить Вт=0. Поле за пределами сердцевины должно убывать в радиальном направлении и при г—>оо должно стремиться к нулю. Однако In при этом стремится к бесконечности, что противоречит условию Зоммерфельда. Следова­тельно, надо положить С„= 0, так как нас интересуют только направляемые моды вдоль оси z. Таким образом, функция Jn(χ1r) описывает распределение поля внутри сердцевины ОВ, а функция Кп(а2r) описывает изменение поля за ее пределами (в среде с п2) и ведет себя при больших значениях а2г как ехр(-а2r). Тогда уравнения (2.54) и (2.55) перепишутся в виде(2.56 2.57):==================================

Постоянные интегрирования Ат и Dm могут быть определены на основании граничных условий. Поперечные составляющие электрических Еr Еφ и маг­нитных Нr, Нφ полей могут быть выражены с помощью известных соотношений между поперечными и продольными Ez, Hz составляющими. Тогда, используя условие равенства тангенцианальных составляющих напряженностей электрических и магнитных полей на поверхности раздела сердцевина - оболочка (при r=а):

(2.58)

найдем постоянные интегрирования. Подставим их в уравнения типа (2.56) и (2.57), и после соответствующих преобразований получим следующее характеристическое уравнение:

(2.59)

Это уравнение позволяет определить структуру поля, параметры волн и характеристики ОВ. В общем случае оно имеет ряд решеняй, каждому из которых соответствует определенная структура поля, называемая типом волны, или модой. Обычно в ступенчатых ОВ, применяемых для линий передачи сигналов, п1 п2. Тогда уравнение (2.59) можно переписать в виде:

(2.60)

В ступенчатом ОВ отсечка моды (критические условия) наступает при равенстве попе­речного волнового числа в оболочке –a2=0, это возможно при β =k2- При этом условии из (2.60) следует, что

(2.61)

Отсюда видно, что низшая основная мода (п=0) имеет отсечку, определяемую из урав­нения:

Первый корень этого характеристического уравнения χ1а = 0, и он соответствует моде НЕ11. В соответствии с решением (2.54) и (2.55) эта волна существует в виде двух взаимных ортогональных поляризаций НЕ11rг и НЕ11в, соответствующих cos φ и sin φ.(2.21). Вторая в порядке возбуж­дения мода для n=0 отсекается, когда функция J1(χ1r) второй раз становится равной нулю, т.е. когда χ1a=3,83. Эта мода обозначается НЕ12. Aналогично для n = 0 следуют моды НЕ13, НЕ14….

В приведенных обозначениях мод первый индекс учитывает порядок функции, второй -номер корня (порядок решения), удовлетворяющего граничным условиям для данного по­рядка функции Бесселя.

Следующая совокупность мод соответствует n= 1 или характеристическому уравнению:J0(χ1r)=0

Первым корнем этого уравнения является χ1а = 2,405. Ему соответствуют две волны Н01и Е01.. Второму корню уравнения соответствует следующая пара мод Н02 и Е02 и т.д.Таким образом, функции Бесселя первого рода n-го порядка дают бесконечное число корней. Причем корни функции:J0(χ1a) определяют структуру поля симметричных волн (Е0m H0m), a Jn(χ1a) при n 0 структуру несимметричных гибридных волн (ЕНnm, НЕnm). В индексе моды n - число изменений поля по диаметру, a m- число изменений поля по пери­метру сердцевины ОВ.

Все составляющие эл/магн поля в волноводе обычно опр-ют через сост-щие и :

-относ. диэлектрич. проницаемость среды; n – пок - ль преломления

, -круговая частота; -продольная постоянная распространения

При малом относительном изменении диэл. проницаемости на длине волны можно считать . При этом система распадается на независимых однородных диф. уравнения второго порядка:

, где -ф-ия пропорциональная или .

Решая уравнение можно получить в явном виде соотношение для определения называемое дисперсионным уравнением. В общем случае уравнение имеет q корней каждому из которых соотв. Определенное решение уравнений, называемое собственным, а в электродинамике – собственным типом волны или модой. Решая дисперсионное ур-ние для каждой частоты, можно определить зависимость - дисперс. хар-ку моды.

Дисперсионные хар-ки для нескольких первых мод в волоконном световоде однородном двухслойном со ступенчатым профилем показателя преломления (постоянное по радиусу значение) приведены на рис.

Рис.2 Биконический разветвитель на ВС со связью через затухающее поле: справа показано распределение интенсивности излучения в дальнем поле

TM₀₁

EH₁₁

HE₁₁

TE₀₁

HE₂₁

HE₃₁

HE₁₂

HE₁₁

n1

n2

V

- нормированная частота.

- радиус сердечника.

- волновое число в свободном пространстве.

Область разрешенных значений постоянных распространения зависит от значения показателя преломления сердечника и оболочки . Равенство -условия частоты отсечки. На ч-те отсечки поле выходит из серд-ка световода. Ч-та отсечки осн. моды HE₁₁ равна нулю. Мода HE₁₁ - двукратно вырожденная по поляризации, т.к. в круглом световоде все ориентации вектора Е эквивалентны, вследствии чего могут сущ-ть моды со взаимно перпендикул. поляризацией и одинаковым волновым числом. Эллиптичность сердечника приводит к снятию данного вырождения. Если на заданной раб. ч-те параметры световода выбрать так, чтобы следующие высшие моды ТE₀₁, ТМ₀₁, HE₂₁ с более высокими ч-ми отсечки не могли распр-ся, то получим одномодовый световод.В этом случае должно вып-ться условие одномодовости: . Из анализа выр-я видно, что для увеличения размеров сердечника круглого световода в одномодовом режиме желательно брать малое значение разности пок-лей преломления. Поэтому на практике беруться световоды с малой разностью пок-лей преломления сердечника и оболочки

31. Дисперсійні залежності ВС зі ступінчатим профілем показника заломлення

Дисперсионные характеристики для нескольких первых мод в волоконном световоде со ступенчатым профилем приведены на рис. 1.5. Область разрешенных значений постоянной распространения р зависит от значений показателя преломления сердечника и оболочки: n₂ ≤β/k≤n₁. Равенство β/k = n₂ представляет собой условие частот отсечки. На частоте отсечки поле выходит из сердечника световода. Частота отсечки основной моды НЕ₁₁ равна нулю. Мода НЕ₁₁ является двукратно вырожденной по поляризации, так как в круглом световоде все ориентации вектора Е эквивалентны, вследствие чего могут существовать моды со взаимно перпендикулярной поляризацией и одинаковым волновым числом. Эллиптичность сердечника приводит к снятию этого вырождения.

Если на заданной рабочей частоте параметры световода выбрать так, чтобы следующие высшие моды ТЕ₀₁, ТМ₀₁ НЕ₂₁ с более высокими частотами отсечки не могли распространяться, то получим одномодовый световод, т. е. световод с одной только распространяющейся модой НЕ₁₁. В этом случае должно выполняться условие одномодовости

2,405 > (2πα/λ) (n₁²- n₂²) ^1/2 = V.(1.5)

Из анализа выражения (1.5) видно, что для увеличения размеров сердечника круглого световода в одномодовом режиме желательно брать малое значение разности показателей преломления. Поэтому на практике используют световоды с малой разностью показателей преломления сердечника и оболочки: Δ₁ = n₁ - n₂ = 0,005…0,03.

В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия, достигающая больших значений (20…50 нс/км)

В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия. Здесь проявляется волноводная и материальная дисперсия, но они почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне в силу этого происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия при = 1,2…1.7 мкм не превышает 1 нс/км.

Вид дисперсии	Причина дисперсии	Ступенчатый профиль	Градиентный профиль
Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
Модовая или волноводная	Постоянная распространения моды зависит от частоты	Малое значение	Возможно взаимная компенсация	Малое значение
Межмодовая	Разные моды имеют разные групповые скорости распространения	20…50 нс/км	-	0,1…0,3 нс/км (лазер); 2…4 нс/км (светодиод)
Материальная	Показатель преломления материала световода зависит от частоты	2…5 нс/км	0,1…..2 нс/км
Полоса частот	Десятки мегагерц	Тысячи мегагерц	Сотни мегагерц

32.Картини полів основних видів хвиль волоконного світловоду.

33.Световоды со смещенной дисперсией

Далеко не во всех одномодовых волокнах используется ступенчатый про­филь показателя преломления. Некоторые имеют более сложную структуру, позволяющую оптимизировать работу волокна на какой-либо одной длине волны. Например, волокно со ступенчатым профилем имеет нулевую моле­кулярную дисперсию на длине волны 1300 нм. Нулевая дисперсия важна для создания волокна с максимальной информационной емкостью. При длине волны 1550 нм дисперсия примерно в пять раз сильнее. Однако уровень затухания существенно ниже именно на длине 1550 нм:

• от 0.35 до 0.50 дБ/км при 1300 нм

• от 0.20 до 0.30 дБ/км при 1550 нм

Отличие в затухании и дисперсионных характеристиках волокна на двух приведенных длинах волн может быть использовано для дальнейшего улуч­шения его свойств. Волокно может работать в режиме с большей скоростью передачи на длине 1300 нм, но на меньшие расстояния, или при меньших скоростях, но на большие расстояния при 1550 нм.

Новейшие одномодовые волокна имеют структуру, которая позволяет до­стигать низких потерь и малой дисперсии на одной и той же длине волны. Таким образом, у системы появляется возможность работать на больших скоростях и на более дальние расстояния. Волокна со сдвигом дисперсии имеют структуру, позволяющую сдвинуть значение длины волны с нулевой дисперсией, обычно с 1300 к 1550 нм. Производятся также волокна с плоским профилем дисперсионной зависимости от длины волны, которые имеют низкую дисперсию в широком диапазоне длин волн.

34. Основні види дисперсії ВС.

Под дисперсией понимают увеличение длительности оптического импульса при прохождении им волоконного световода определенной длины, обычно 1 км.

Дисперсия определяет полосу пропускания световода и возникает из-за рассеяния во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Наличие этого эффекта приводит к увеличению длительности оптического импульса в процессе его прохождения по оптическому кабелю, к появлению межсимвольной интерференции (наложению фронтов двух соседних импульсов друг на друга) и к увеличению

Существует целая группа причин возникновения дисперсии
Дисперсия может возникать при большом количестве распространяемых по волокну мод (модовая дисперсия), которая зависит от типа профиля показателя преломления в используемом волокне. Дисперсия возникает из-за некогерентности источников излучения и наличия определенного спектра (а не одной длины волны) в передаваемом сигнале (хроматическая дисперсия). В реальных градиентных и одномодовых волокнах существенной может оказаться «профильная» дисперсия, которая возникает из-за флуктуации профиля показателя преломления (ППП), вызванной различными причинами.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет инфор­мационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме.

Дисперсия - уширение импульсов - имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по фор­муле [10]. Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассмат­риваемыми ниже:

· различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией )

· направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией ),

· свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией )

Рис. 2.9. Виды дисперсии

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия определяется из формулы:

Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне, возникает из-за конечной спектральной ширины оптической несущей выходного сигнала передатчик. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии. Она обусловлена зависимостью условий распространения света по волокну от длины волны.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны.

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны.

Степень влияния хроматической дисперсии на частотные характеристики канала зависит в первую очередь от спектральных свойств источника излучения. Для лазерных источников благодаря узкой полосе частот излучаемой несущей дисперсия характерна в меньшей степени. В некогерентных источниках (светодиодах) полоса несущей существенно шире, и хроматическая дисперсия проявляется значительнее.

34. 35. 36. 37. Внутрішньомодова, міжмодова та матеріальна дисперсії.

Вид дисперсии	Причина дисперсии	Ступенчатый профиль	Градиентный профиль
Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
Модовая или волноводная	Постоянная распространения моды зависит от частоты	Малое значение	Возможно взаимная компенсация	Малое значение
Межмодовая	Разные моды имеют разные групповые скорости распространения	20…50 нс/км	-	0,1…0,3 нс/км (лазер); 2…4 нс/км (светодиод)
Материальная	Показатель преломления материала световода зависит от частоты	2…5 нс/км	0,1…..2 нс/км
Полоса частот	Десятки мегагерц	Тысячи мегагерц	Сотни мегагерц

В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия, достигающая больших значений (20…50 нс/км)

В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия. Здесь проявляется волноводная и материальная дисперсия, но они почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне в силу этого происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия при = 1,2…1.7 мкм не превышает 1 нс/км.

В градиентных световодах происходит выравнивание времени распространения различных мод и определяющим является дисперсия материала, которая уменьшается с увеличением длины волны по обсалютной величине она колеблется в пределах 3…5 нс/км

Сравнивая дисперсионные характеристики световодов можно отметить что лучшими данными обладают одномодовые световоды. Хорошие данные также у градиентных световодов с плавным изменением показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов это объясняется тем что в ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердечник – оболочка. Причем пути следования различных лучей различны и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени, это приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).

35. Внутримодовая дисперсия (волноводная)

Составляющая хроматической дисперсии, обусловленная нелинейной зависимостью постоянной распространения данной моды оптического волокна от длины волны оптического излучения. Возникающая в результате дисперсии групповой скорости распространяющейся моды. Единственный вид дисторсии, имеющей место в одномодовом волокне.

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны γ = ψ(λ). Волноводная дисперсия зависит от ширины передаваемого спектра частот.Величина уширения импульсов из-за волноводной дисперсии τ_вв находится из выражения

.

Для инженерных расчетов можно использовать упрощенную формулу:

τ_вв = Δλ В (λ),

где Δλ (мкм)– ширина спектра источника; В (λ) (пс/(км·нм)) – удельная волноводная дисперсия. Удельная волноводная дисперсия так же, как и удельная материальная дисперсия, выражается в пикосекундах на километр длины световода и на нанометр ширины спектра.

Для ОВ со ступенчатым ППП, вблизи длины волны λ ≈ 1,35 мкм происходит взаимная компенсация материальной и волноводной дисперсии. Из-за этого волна 1,3 мкм получает широкое применение при передаче по одномодовым волокнам, однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм. Поэтому для достижения минимума дисперсии приходится варьировать профиль показателя преломления и диаметр сердечника. Степень влияния хроматической дисперсии на частотные характеристики канала зависит в первую очередь от спектральных свойств источника излучения. Для лазерных источников благодаря узкой полосе частот излучаемой несущей дисперсия характерна в меньшей степени. В некогерентных источниках (светодиодах) полоса несущей существенно шире, и хроматическая дисперсия проявляется значительнее.

В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия, достигающая больших значений (20…50 нс/км)

В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия. Здесь проявляется волноводная и материальная дисперсия, но они почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне в силу этого происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия при = 1,2…1.7 мкм не превышает 1 нс/км

Дата добавления: 2015-10-16