Принцип работы оптических волоконных световодов.

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС)  это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Основой волоконно-оптической линии связи является оптическое волокно. Типичная его конструкция представлена на рис.3. Оптическое волокно состоит из сердцевины с показателем преломления n_с, окружающей ее оболочки с показателем преломления n_об и дополнительного внешнего покрытия, которое представляет собой буфер. При выполнении условия n_с > n_об такая структура ведет себя как волновод за счет полного внутреннего отражения лучей на границе сердцевина-оболочка.

Кварцевое стекло (SiO₂) является основным материалом для изготовления, как сердцевины, так и оболочки.

Рис.3 Строение оптического волокна.

Мода – вид колебаний, возбуждающихся в сложных колебательных системах. Мода характеризуется пространственной конфигурацией колеблющейся системы, определяемой положением её узловых точек (линий или поверхностей), а также собственной частотой. Обычно каждой моде соответствует определённая собственная частота. Если собственные частоты двух или большего числа мод совпадают, то такие моды называются вырожденными.

Различают оптические волокна одномодовые и многомодовые.

Рис.4 Одномодовые и многомодовые волокна.

Одномодовое волокно (SMF – Single Mode Fiber), как правило, имеет диаметр световедущей жилы порядка единиц мкм, что сравнимо с длиной волны передаваемого излучения и обуславливает минимальное затухание сигнала и минимальную дисперсию.

Многомодовое оптоволокно (MMF Multi Mode Fiber) имеет диаметр сердцевины в несколько десятков мкм и предназначено для распространения по нему излучения сложного модового состава.

Если сердцевина волокна имеет поперечные размеры сравнимые с длиной волны, то в таком волокне будет распространяться только одна мода, идущая вдоль оси. Такие одномодовые волокна обладают наибольшей полосой пропускания. Условием распространения в волокне одной моды является следующее выражение

2πR_с (n_c² – n_об²)^0,5

^{______________________________} < 2,405

λ

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: межмодовая, хроматическая, поляризационная.

Межмодовая дисперсия - уширение светового импульса при распространении в волокне, связанное с различием времени распространения его компонент.

Лучи, падающие под углом, равным критическому углу θ_пр, проходят в  1 / sinθ_пр  раз большее расстояние, чем аксиальные лучи. Из-за большей длины пути, который проходят эти лучи, они отстают от аксиальных лучей на интервал времени ΔT , определяемый отношением:

ΔT /T = 1/ sinθ_пр -1

где:      T - время распространения импульса вдоль волновода по кратчайшему пути, ΔT - время задержки луча, распространяющегося под углом, близким к критическому.

Обратная ΔT величина называется шириной спектра пропускания (1/ΔT) и определяет ширину спектра модулирующего сигнала, который может быть передан по волокну с малыми потерями. Ширина спектра пропускания уменьшается с увеличением длины волновода. Максимальная скорость передачи информации в ОВ с малыми искажениями определяется шириной спектра пропускания модулирующего сигнала (в зарубежной технической литературе модулирующий сигнал называют электрическим сигналом).

Хроматическая дисперсия – зависимость групповой скорости распространения моды от длины волны передаваемого сигнала.

Расширение световых импульсов из-за хроматической дисперсии может быть скомпенсировано. Принцип компенсации заключается в том, что излучение проходит два участка: с положительной и отрицательной дисперсией. Световой импульс после прохождения отрезка волокна с положительной дисперсией расширяется т.к. его различные спектральные компоненты распространяются с разной скоростью. В результате импульс становится частотно модулированным: на фронте сосредоточены коротковолновые спектральные компоненты, а на спаде – длинноволновые компоненты. Это связано с тем, что в волокне с положительной дисперсией коротковолновые компоненты распространяются с большей скоростью, чем длинноволновые.

Во втором волокне с отрицательной дисперсией фронт импульса распространяется с меньшей скоростью, чем спад, и это приводит к сжатию импульса.

Поляризационная дисперсия– различие скорости распространения ортогонально поляризованных компонент фундаментальной моды в одномодовом волокне, которое приводит к их разделению на выходе из волокна.

Факторы, влияющие на двулучепреломление в волокне:

1.    Асимметричность световедущей жилы волокна

2.    Сжатие

3.    Изгиб

4.    Растяжение

5.    Скручивание

Для передачи световой информации широко используются устройства, получившие название световодов.

СВЕТОВОД (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается начальной расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к световодам позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Из этого многообразия устройств выделяются два типа: одножильный световод, называемый оптическим волокном (оптоволокном), представляющий собой тонкую сердцевину (от нескольких микрон до сотен микрон) и окружающую ее оболочку и многожильные световоды, представляющие собой "спеченое" в один жгут множество одножильных световодов - волокон или пучков световодов. Световые жгуты могут содержать десятки тысяч волокон.

Одножильные световоды используются для передачи кодированной информации в средствах связи. Многожильные - для передачи изображения из труднодоступных мест, для преобразования формы светового пятна, для исправления кривизны поля и дисторсии изображения в широкоугольных объективах, для зашифровки передаваемого изображения.

Работа световодов основана на явлении полного внутреннего отражения, которое возникает, если излучение из оптически более плотной среды с показателем преломления n_i попадает в оптически менее плотную с показателем преломления n₂<n₁ (рис.4в).

Рис.4. Варианты прохождения света через границу двух сред.

Угол падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для всех углов падения, которые превышают предельный, будет иметь место только отражение. Это явление называется полным внутренним отражением, оно положено в основу передачи оптического излучения по световоду.

Рис.5 Прохождение лучей в волоконном световоде.

Обычно волоконные световоды имеют круглое поперечное сечение и состоят из двух концентрических слоев оптически прозрачного диэлектрика. В центре располагается сердцевина из оптически более плотного кварца, его окружает оболочка из кварца с меньшей оптической плотностью. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины. Профиль показателя преломления – это закон, который показывает, как может меняться или оставаться постоянным показатель преломления оболочки вдоль радиуса. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и оболочки.

Одним из главных параметров, характеризующих работу световодов, являются потери света: