Тема 6 Физические процессы в световодах. Типы волн и основные параметры световодов (6/2/2/2 часа)

План лекции

1. Устройство световода

2. Распространение световых волн в световодах

3. Основные параметры световода

4. Применение световодных линий связи

Изобретение в 1959...1961 гг. когерентных лазерных источников света положило начало разработкам оптических линий связи, где переносчиком сообщений являются световые волны (частотой Гц, длиной волн - 0,8…1,6 мкм). Простейший световод - это диэлектрический волновод. Представляет собой тонкое волокно (кварцевое или многокомпонентное стекло) цилиндрической формы, состоит из сердечника с показателем преломления оболочки с показателем преломления и внешнего покрытия ( относительные диэлектрические проницаемости материалов сердечника и оболочки). По сердечнику передается электромагнитная энергия в виде световой волны. Оболочка (обычно пластик) предназначена для создания лучших условий отражения на границе сердечник - оболочка и уменьшения излучения энергии в окружающее пространство. Поперечное сечение волокна и распределение показателя преломления n показаны на рисунке 1.

оболочка

сердечник

а) б)

Рисунок 1 - Распределение показателя преломления n

В зависимости от характера изменения n различают два типа световодов:

• ступенчатые (рис. 1,а), которые имеют постоянное по радиусу значение показателя преломления (ступенька изменения наблюдается на границе сердечник – оболочка);

• градиентные (рис. 1,б), в которых показатель преломления плавно изменяется от центра к краю сердечника.

Принцип действия ступенчатого световода иллюстрируется на рисунке 2.

Луч 1 оболочка – n₂

θ_{В О}

_А _п _о 1

сердечник – n₁

Л уч 2

_пр 2

3

Рисунок 2 – Ход лучей в ступенчатом световоде

В световоде могут существовать три вида лучей (волн): сердечника 1, оболочки 2, излучения 3. Для эффективного распространения и предотвращения перехода энергии в оболочку и окружающее пространство необходимо устранить волны 2 и 3. Это достигается при выполнении условий полного внутреннего отражения на границе раздела двух сред:

1) переход лучей осуществляется из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей плотностью, то есть

2) угол падения _п больше некоторого угла полного внутреннего отражения θ_ВО, определяемого из соотношения:

При (луч 2) энергия, поступившая в сердечник, полностью отражается и зигзагообразно распространяется по световоду. Режим полного внутреннего отражения соблюдается, если на входной торец световода подавать световой луч в пределах телесного угла _А (этот угол между оптической осью световода и одной из образующих светового конуса, в пределах которого наблюдается полное внутреннее отражение луча, называется апертурой). Для характеристики световода пользуются числовой апертурой:

От значения числовой апертуры зависят эффективность ввода излучения в световод, потери на микроизгибах и другие параметры световода.

В градиентном световоде лучи не отражаются, а изгибаются в направлении градиента показателя преломления (рис. 3):

Л уч 1

оболочка

_А сердечник 1

2

л уч 2

3

Рисунок 3 – Ход лучей в градиентном световоде

Лучи, находящиеся внутри апертурного угла, распространяются в сердечнике по волнообразным траекториям. Характерной особенностью градиентных световодов являются меньшие искажения передаваемых сигналов.

Для заданного световода в пределах апертурного угла из всей совокупности световых лучей только ограниченное число лучей может образовывать направляемые волны определенного типа, которые называют волноводными модами. Физически это явление объясняется интерференцией волн (то есть существующие в световоде моды могут или складываться по фазе или гасить друг друга). В световоде круглого сечения, как и в круглом волноводе, могут существовать смешанные волны типа НЕ или ЕН. Основной волной является волна типа НЕ₁₁. Каждая мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) световоды разделяют на одномодовые и многомодовые. Число мод зависит от соотношения между диаметром сердечника и длиной рабочей волны При в поперечном сечении сердечника укладывается лишь одна волна (одномодовый режим), при - многомодовый режим. Одномодовые световоды имеют электрические характеристики лучше многомодовых. Для многомодовых световодов диаметр сердечника равен 50 мкм, а диаметр оболочки – 125 мкм. Диаметр сердечника одномодового световода выбирают из условия распространения только основной моды. Это выполняется, если нормированная рабочая частота

где диаметр сердечника; числовая апертура; рабочая длина волны, удовлетворяющая неравенству для двухслойного ступенчатого световода и для градиентного с параболическим изменением показателя преломления. Относительная разность показателей преломления имеет значения 0,01…0,003.

К электрическим параметрам световодов относятся критическая частота и длина волны, ослабление, дисперсия сигнала. Световод, как и волновод, является фильтром высоких частот. Соотношение между длиной волны , диаметром световода и углом полного внутреннего отражения следующее:

Начало формы

По световоду возможна передача волн длиной меньше критической длины:

Конец формы

Критическая частота:

где групповая скорость распространения волны в сердечнике; скорость света; параметр типа волны (моды); индекс характеризует число изменений поля по диаметру световода, по периметру. Для некоторых типов волн параметр дан в таблице 1.

Таблица 1 – Значения параметра для круглого световода

				Тип волны
	1	2	3
0	2,405	5,520	8,654	ЕН
1	0	3,832	7,016	НЕ
1	3,832	7,016	10,173	ЕН
2	2,405	5,538	8,665	НЕ
2	5,136	8,417	11,690	ЕН

В световоде существуют две главные причины потерь электромагнитной энергии: поглощение и рассеяние энергии. Потери при поглощении состоят из собственного поглощения в материале сердечника и поглощения из-за наличия в сердечнике примесей в виде ионов окислов металлов и гидроксильных групп. Ослабление за счет собственного поглощения в сердечнике (дБ/км) связано с диэлектрическими потерями в материале световода и вычисляется по формуле:

где рабочая длина волны, мкм; тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

Для большинства материалов Потери за счет посторонних примесей зависят от чистоты материала и могут в несколько раз превышать собственные потери.

Рассеивание световой энергии обусловлено неоднородностями материала световода, размеры которых меньше длины волны и тепловой флуктуацией показателя преломления (рэлеевское рассеивание). Потери на рассеивание (дБ/км) зависят от материала световода и рабочей длины волны. Кроме того, необходимо учитывать кабельные потери , возникающие из-за различных нарушений геометрии световода, наличия соединений, изгибов и микроизгибов. В результате полный коэффициент ослабления световода:

Для качественной оценки потерь пользуются экспериментальной частотной зависимостью коэффициента ослабления (рис. 4). На графике видны три окна прозрачности с малым ослаблением, поэтому в волоконно-оптических линиях связи целесообразно использовать диапазоны волн от 0,8 до 1,6 мкм. В настоящее время широкое применение получили волоконно-оптические системы передачи (ВОСП), использующие длину световой волны 1,55 мкм.

дБ/км

5

1

0 ,5

1 окно 2окно 3окно

0,1

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 , мкм

Рисунок 4 – Характеристика ослабления в одномодовом световоде

Для оценки прохождения сигнала по световоду, который как любую линию связи можно представить эквивалентным четырехполюсником, достаточно знать его полосу пропускания и среднеквадратическую длительность импульсной характеристики В световодах эти параметры зависят не только от параметров световода, но и от его длины: с ростом длины уменьшается полоса пропускания и увеличивается среднеквадратическая длительность импульсной характеристики, что приводит к возрастанию линейных искажений передаваемых сигналов, то есть при передаче импульсных сигналов увеличивается длительность (уширение) принимаемых импульсов.

При некоторой длине световода два раздельно переданных импульса могут приниматься приемной стороной как один импульс. Это явление уширения импульсов называется дисперсией сигнала. Дисперсия ограничивает полосу передаваемых частот по световоду и ограничивает минимальную длительность импульсных сигналов. Численно дисперсия равна среднеквадратической длительности импульсной характеристики. Это значение можно определить как квадратическую разность длительностей импульсных сигналов на входе и выходе световода:

где значения длительностей импульсов берутся на уровне половины их амплитуды.

В световоде существуют три вида дисперсии сигнала: волноводная (модовая), материальная и межмодовая. Они проявляются по-разному в различных типах световодов. В одномодовых световодах отсутствует межмодовая дисперсия и возможна взаимная компенсация волноводной и материальной дисперсий.

В многомодовых световодах со ступенчатым профилем учитывается межмодовая дисперсия, достигающая значений 20…50 нс/км. В градиентных световодах определяющей является материальная дисперсия. Суммарная дисперсия сигнала в световоде определяется по формуле:

Практически для определения дисперсии используют паспортные данные конкретного световода. Дисперсионные свойства существующих конструкций волоконных световодов представлены в таблице 2.

Таблица 2– Дисперсионные свойства световодов

Вид дисперсии	Физическая причина дисперсии	Ступенчатый профиль		Градиентный профиль
		многомодовое	одномодовое
	Фазовая скорость моды зависит от частоты	Малое значение	Возможна взаимная компенсация с материальной, суммарная	Малое значение
	Показатель преломления зависит от частоты	2…5	1…3	0,1…2
	Разные моды имеют разные групповые скорости	20…50	-	0,1…0,3 (лазер) 2…4 (светодиод)
		40…100 20…50	600…2000 300…1000	50…1000 250…500

Для расчета дисперсии сигнала в световоде любой длины применяют соотношение:

где дисперсия сигнала в световоде длины показатель зависимости дисперсии от длины; на практике

Полоса пропускания световода зависит от типа световода и источника светового излучения. По радио (световой) частоте:

По видеочастоте (для первичных модулирующих сигналов):

Дальность передачи по световодам лимитируется не только ослаблением, но и дисперсией сигнала. В многомодовых световодах ограничивающим фактором является дисперсия сигнала, в градиентных и одномодовых – ослабление.

Рекомендуемая литература [1,2,3,4,6,12,13,14 ]