6Волоконнно-оптические линии связи

6.1Конструктивные параметры волс

Оптическое волокно (ОВ) представляет собой нить, состоящую из сердцевины и отражающей оболочки, изготовленных из особо чистого кварцевого стекла. В процессе вытяжки на него наносится первичное защитное покрытие. Первичное покрытие обычно изготавливается двухслойным. Внутренний мягкий слой демпфирует нагрузку, действующую на волокно, наружный твердый слой устойчив к абразивным воздействиям.

Сердцевина представляет собой область в центре волокна, показатель преломления которой больше чем у оболочки.

Оболочка – это область вокруг сердцевины, показатель преломления которой, как правило, постоянен. Основная часть энергии светового сигнала распространяется в сердцевине.

Показатель преломления материала первичного покрытия берется большим, чем у отражающей оболочки для поглощения в ней нежелательных световых волн, распространяющихся по отражающей оболочки.

ОВ надо рассматривать как диэлектрический волновод, работающий в оптическом диапазоне волн.

Распространение светового импульса по оптическому волокну происходит путем скачкообразного или плавного изменения показателя преломления кварцевого стекла в поперечном сечении волновода.

По числу распространяющихся в оптическом волокне мод они подразделяются на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Волокно с малым диаметром сердцевины (диаметр превышает длину волны передачи в несколько раз), по которому в рабочем диапазоне длин волн может распространяться только одна мода, называется одномодовым.

Волокно с большим диаметром сердцевины (диаметр на порядок больше длины волны передачи), в котором могут распространяться две или большее число мод, называется многомодовым.

Выпускают ОМ волокна с диаметром сердцевины от 6 до 10 мкм. А диаметр сердцевины ММ волокон может быть равен 40мкм; 50мкм; 62,5мкм; 85мкм и 100мкм.

Многомодовые волокна изготавливаются для их использования на длине волны 0,85мкм и 1,31мкм, а одномодовые волокна оптимизированы для использования на длинах волн около 1,31мкм и 1,55мкм.

6.2Оптические параметры волс

При рассмотрении изменений показателя преломления «n» оптического волокна как функции радиуса используется термин «профиль распределения показателя преломления». Профиль распределения показателя преломления показывает, по какому закону изменяется «n» по поперечному сечению ОВ.

В настоящее время наибольшее применение нашли следующие профили распределения показателя преломления:

• ступенчатый (для многомодовых и одномодовых волокон);

• градиентный (для многомодовых волокон);

• сегментный и треугольный (для одномодовых волокон);

При ступенчатом профиле показатель преломления сердцевины (n1) одинаков по всему поперечному сечению сердцевины и при переходе к оболочке показатель преломления уменьшается ступенчато и остается неизменным в оболочке со значением n2. У оптических волокон с градиентным профилем показатель преломления изменяется не ступенчато, а плавно.

Рисунок 6.1

6.3Апертурный угол. Числовая апертура.

Диаметр модового пятна.

Рассмотрим, как происходит процесс распространения оптического излучения.

Рисунок 6.2

Лучи, способные распространяться по оболочке, называются волнами или модами оболочки. Лучи, распространяющиеся по сердцевине – направляемые лучи.

При распространении луча от одной однородной среды (сердцевина) с показателем преломления n1 в другую (оболочка) с показателем преломления n2 на границе раздела сред луч преломляется.

Как уже было сказано ранее показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки, то есть луч выходит из оптически более плотной среды в менее плотную, следовательно, угол преломления будет больше угла падения (_пр.>_пад.). При увеличении угла падения будет увеличиваться угол преломления и при некотором значении _пад.= _пад.кр. наступит момент, когда угол преломления  пр. станет равным 90градусов (преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред). При углах падения _пад >_пад.кр. имеет место полное внутреннее отражение, когда преломленный луч отсутствует и вся энергия сосредоточена в отраженном луче. На этом явлении и основан процесс удержания света внутри волоконного световода.

Рисунок 6.3

Важной характеристикой световода является апертурный угол - это угол между оптической осью и одной из образующих предельного светового конуса.

На практике более часто используется не численное значение угла А, а значение синуса этого угла, называемое числовой апертурой. Это объясняется тем, что при лучевом подходе способность световода воспринимать световую энергию от светоизлучающего диода характеризуется числовой апертурой(NA). Таким образом, числовая апертура NA представляет собой синус максимального угла падения пад. лучей на торец световода, при котором в световоде луч на границу «сердцевина – оболочка» падает под критическим углом кр. Тогда можно записать:

; (6.1)

. (6.2)

где n1 и n2 показатель преломления соответственно сердцевины и оболочки.

С увеличением разности между показателями преломления сердцевины и оболочки возрастает значение числовой апертуры, что улучшает эффективность ввода света от источника излучения в волокно.

Диаметр модового пятна характеризует плотность энергии оптического волокна. Диаметр модового пятна показан на рисунке:

Рисунок 6.4

Граница диаметра модового пятна находится на расстоянии, когда световой поток уменьшается в е раз.