Волоконные световоды для связи (стр. 3 из 5)

Другим новым типом световодов является ОВС, который обладает плоской спектральной зависимостью дисперсии, причем плоская зависимость хроматической дисперсии сохраняется при изменении диаметра световода в процессе вытяжки. Данный тип ОВС может быть использован при создании новых источников излучения на основе эффекта генерации суперконтинуума. Следует отметить, что изготовление новых типов световодов, особенно ОВС с изменяющейся плоской дисперсией, представляет трудоемкий процесс, так как любые отклонения в ППП при изготовлении заготовки будущего световода приводят к изменению оптических характеристик, и первую очередь – к изменению дисперсионных характеристик.

5. Требованияк волоконнымсветоводамдля линийсвязи

Все преимущества ВОЛС вытекают из физических принципов, на которых основана волоконно-оптическая технология. Передача информации по волоконным световодам имеет особенности, не присущие другим средствам коммуникации, потому целесообразно рассмотреть основные физические принципы функционирования одномодовых и многомодовых световодов.

5.1 Принципы передачи информации в волоконных световодах

Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью: в стекле - быстро, в воздухе - быстрее, в вакууме - быстрее всего. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется. Угол отраженного луча равен углу падающего, а угол преломленного луча зависит от соотношения показателей преломления сред (отметим, что все углы измеряются от нормали к поверхности). Согласно закону Снеллиуса, произведения синуса угла падающего и преломленного луча на соответствующие показатели преломления сред равны.

Поставим теперь условие, чтобы преломленный луч не проникал во вторую среду, а двигался вдоль границы раздела. Так как при этом g = 90°, то нетрудно вычислить так называемый критический угол (рис.4):

Sin αкр = n2/n1

n1 - показатель преломления сердцевины волокна

n2 - показатель преломления оболочки волокна

Эта формула объясняет "эффект полного отражения", на котором основана вся волоконно-оптическая технология. Эффект состоит в том, что луч, попавший на границу двух сред (первая из которых должна иметь больший показатель преломления, чем вторая), под углом, большим критического, полностью отражается.

Рис. 4. Эффект полного отражения

Если же луч не просто попадает на границу двух сред, а проходит в цилиндрическом волоконном световоде (оптоволокне) между параллельными стенками, то при угле входа больше критического, он "навсегда" останется в световоде:

NA = Sin φкр

Величина NA - одна из главных характеристик оптоволокна, называемая числовой апертурой (NA, numeric aperture).

Здесь φкр = 90° - αкр представляет критический угол, измеряемый относительно оси световода.

Приведенную формулу апертуры удобно привести к другому виду:

NA = √2n·Δn

где n - среднее арифметическое показателей преломления сердцевины nс и оболочки nоб, а Δn = nc - nоб их разность.

Если на входе световода имеется изотропный источник, излучающий равную мощность во всех направлениях и при этом имеющий диаметр, меньший, чем диаметр световода, то доля мощности источника K, вводимой в световод, будет пропорциональна квадрату апертуры:

K = (NA)2

Значит, чем больше апертура, тем большая доля излучения источника попадает в световод и тем мощнее сигнал. На практике апертуру можно увеличить за счёт параметра Δn, используя, например, стеклянную сердцевину без оболочки. Но при этом возникают две проблемы. Во-первых, при полном внутреннем отражении часть световой волны проникает сквозь отражающую поверхность. Вторая проблема связана с возникновением мод.

Кроме перечисленных, есть ещё несколько параметров, которые определяют качество волоконно-оптических линий связи, а значит, и области их применения.

Затухание. Этот параметр определяет потери интенсивности светового сигнала в волоконном световоде и измеряется в обычных для линий связи единицах - дБ/км (децибел на километр). Затухание происходит, в основном, по двум причинам: из-за поглощения и рассеивания.

Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света.

Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина оптоволокна, но и от качества оболочки, так как часть сигнала, вопреки теории, распространяется в ней. Бороться с этим можно за счёт нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

Подчеркнем, что затухание (поглощение) во многом зависит от длины волны светового сигнала. Причем экспериментально установлено три "окна", в которых поглощение заметно уменьшается - это 0,85 мкм, 1,3 мкм и 1,55 мкм (чем больше длина волны, тем меньше потери от затухания). Данные длины волн, относящиеся к инфракрасному диапазону, рекомендованы МКТТТ для использования (и используются) в волоконно-оптических линиях связи. Если в первых волоконно-оптических линиях связи использовались источники с длиной волны 0,85 мкм, то сейчас на этой длине работают только небольшие волоконно-оптические сети. В магистральных ВОЛС сейчас используются лазеры с длиной волны излучения 1,55 мкм.

5.2 Основные виды волоконных световодов

Рассмотрим, как световой сигнал распространяется в световоде. Из-за многократного отражения луча от стенок световода, световой импульс, пройдя по оптоволокну, трансформируется в серию мод. При этом в конечную точку могут прийти лучи, которые вошли в световод в один и тот же момент времени, но под разным углом. Как следствие, эти лучи (моды) проходят разные расстояния и "появляются на приемном конце" не одновременно. Это явление получило название межмодовой дисперсии. Чем больше длина оптоволокна, тем больше будет разброс по времени прибытия, тем меньше будет полоса пропускания.

В приближении геометрической оптики точечный излучатель у одного из торцов оптоволокна может быть трансформирован в решетку синфазных излучателей, находящихся друг от друга на расстоянии, равном диаметру оптоволокна. Диаграмма направленности каждого из излучателей ограничена углами полного внутреннего отражения, и, в зависимости от расстояния между ними (или диаметра оптоволокна), набег разности фаз между излучателями может быть достигнут только в одном направлении (случай одномодового волокна) или сразу в нескольких (многомодовое волокно). В указанных направлениях излучения от излучателей будут складываться синфазно, образуя распространяющиеся волны или, иначе говоря, моды. Ясно, что для того, чтобы достичь другого торца волновода, разным модам придется пройти разное расстояние. В зависимости от способа борьбы с межмодовой дисперсией все оптические волокна можно разделить на несколько подвидов:

- многомодовые ступенчатые

- многомодовые градиентные

- одномодовые.

5.2.1 Многомодовые волоконные световоды

В случае многомодового волокна диаметр сердечника (50…1000 мкм) по сравнению с длиной световой волны (1300 нм) относительно большой. Свет может распространяться в волокне в различных направлениях или модах, что и определяет название многомодовых световодов.

Многомодовые ступенчатые волоконные световоды

В волокне с шаговым индексом коэффициент преломления (возможность материала отражать свет) постоянен по всему сечению сердечника. Это приводит к тому, что лучи света, распространяются в нем, так как показано на рис. 5.

Рис. 5. Распространение излучения в ступенчатом многомодовом волоконном световоде(1 – входной импульс; 2 – дисперсия; 3 – выходной области; 4 – коэффициент преломления; 5 – мода высокого порядка; 6 – мода низкого порядка).

В многомодовом волокне лучи света, соответствующие различным модам, проходят различные дистанции. Если в такое волокно ввести короткий импульс света, то его лучи прибудут на противоположный конец через различные промежутки времени, и выходной импульс будет шире, чем входной. Это явление называют модовой дисперсией. Она ограничивает число импульсов в секунду, которые могут быть переданы через волокно и все ещё распознающихся на противоположном торце, как отдельные импульсы. По этой причине пропускная способность волокна с шаговым индексом невелика и составляет 20…30 МГц для кабеля длиной 1 км. Ступенчатые волокна вследствие их дешевизны наиболее привлекательны для использования в локальных сетях и даже в домашнем быту.

Многомодовые градиентные волоконные световоды

За счёт сложного легирования оптоволокна можно добиться плавного уменьшения показателя преломления от центра к оболочке волокна. Тогда моды, хотя и будут по-прежнему проходить разные пути, но делать это за одинаковое время. Погонная полоса пропускания по сравнению со ступенчатым волокном заметно увеличивается, до 100…1000 МГц/км.