№1. Основні елементи оптичного волокна

Основні конструктивні елементи оптичного волокна (ОВ) наведені на рисунку 1.1.1

К ожне волокно складається з ядра (серцевини) і оболонки. Це і є хвилевідна система.

Ядро (серцевина) – виготовляється з скла або пластика. Кількість мод, які передаються хвилеводом залежить від діаметру серцевини.

З

Рис. 1.1.1. Структура оптичного волокна

ахисна оболонка забезпечує міцність волокна, поглинає удари, створює додатковий захист волокна від впливу навколишнього середовища. Такі буферні оболонки звичайно бувають багатошаровими, виготовляються із пластика і мають товщину від 250 до 900 мкм.

Розміри волокна в загальному випадку визначаються зовнішніми діаметрами його ядра, оболонки та захисної оболонки. Зазвичай ці розміри записують через нахилену рисочку. Наприклад, 50/125/250 означає, що діаметри ядра, оболонки і захисної оболонки дорівнюють 50, 125, 250 мкм відповідно. Захисну оболонку завжди видаляють при з’єднані волокон.

1.2. Типи і характеристики оптичного волокна

Тип волокна ідентифікується за модовим складом коливань, які можуть розповсюджуватися у волокні. Волокна поділяються на два основних типи – багатомодві MMF (multi mode fiber) і одномодові SMF (single mode fiber). Ці волокна різняться діаметром серцевини й оболонки та профілем показника заломлення ядра.

Багатомодові волокна можуть бути ступінчастими або градієнтними.

Одномодові волокна підрозділяються на ступінчасті, або стандартні волокна (SF), волокна з зміщеною дисперсією (DSF) та на волокна з ненульовою зміщеною дисперсією (NZDSF), які відрізняються профілем показника заломлення.

1.2.1. Профілі показника заломлення

Профілі показників заломлення наведені на рисунку 1.2.1

Багатомодове волокно із ступінчастим профілем (рис. 1.2.1а). На даний час в основному випускаються волокна двох типів: 100/140 і 200/240.

Багатомодове волокно з градієнтним профілем (рис. 1.2.1б) більш розповсюджене. На відміну від волокна з ступінчастим профілем ядро волокна із градієнтним профілем складається із чисельних шарів скла, в яких показник заломлення зменшується від центру до країв волокна. За рахунок того, що розподіл показника заломлення має нелінійний профіль, виявляється, що константа розповсюдження для мод із більш високим номером та мод низьких порядків приблизно рівні.

Таким чином, у деякій мірі ліквідується модова дисперсія, яка, як відомо, суттєво обмежує дальність передаючої ділянки та призводить до спотворення і руйнування інформаційного сигналу.

а б в г

Рис. 1.2.1. Типи профілів показника заломлення оптичного волокна

(а) ступінчасте одномодове та багатомодове волокно; (б) багатомодове волокно з градієнтним профілем; (в) одномодове волокно з зміщеною дисперсією; (г) одномодове волокно з зміщеною ненульовою дисперсією

Волокна з градієнтним показником заломлення представлені на ринку розмірами: 50/125, 62.5/125, 85/125.

Одномодове волокно, представлене на ринку, буває, в основному, трьох типів: одномодове волокно з ступінчастим профілем (рис. 1.2.1а); одномодові волокна з зміщеною дисперсією (рис. 1.2.1в); одномодові волокна із зміщеною ненульовою дисперсією (рис. 1.2.1г).

Одномодові волокна характеризуються розмірами: 8-10/125.

№2. Властивості оптичних волокон як передаючого середовища

1.3.1. Поглинання в оптичних волокнах

Нагадаємо, що стан квантової системи в енергетичному відношенні характеризується енергетичними рівнями та описується виразом:

(1.3.1)

д е – густина енергії випромінювання на частоті в одиничному інтервалі частот, – імовірність квантового переходу із стану 1 в стан 2 (1 2), – кількість електронів на рівні 1, – коефіцієнт або імовірність спонтанного випромінювання (випадкового переходу) електронів з рівня 2 на рівень 1 (2 1), – коефіцієнт стимульованого або вимушеного випромінювання, – кількість (населеність) електронів на рівні 2.

Л

Рис. 1.3.1. Схема квантових станів речовини.

a) – поглинаюче середовище, b) – рівноважне або нейтральне середовище c) – випромінююче середовище.

іва частина виразу характеризує поглинання системи і перехід електронів на вищий рівень 2. Права – випромінювання (перехід електронів з рівня 2 на рівень 1).

Аналіз виразу (1) показує, що система може знаходитися в трьох станах (рис. 1.3.1)

Стан (а) кількість електронів на нижньому рівні (у не збудженому стані) більша ніж на рівні . В цьому випадку . Система знаходиться в стійкому стані і є поглинаючою. Вона може лише поглинати фотони. При цьому найбільш інтенсивно поглинаються фотони, частота яких збігається з частотою переходу . Другий стан (b) – стан, при якому приблизно дорівнює . також дорівнює нулю, а імовірності переходів з рівня 1 на рівень 2 та навпаки приблизно однакові. Система в такому стані є нейтральною по відношенню до падаючого випромінювання (природно до певної межі), тобто прозорою. Для багатьох речовин, зокрема для чистого кварцу, така система є стійкою. Саме цим пояснюється висока прозорість оптичних волокон.

Більшість пристроїв волоконної оптики використовують освітлювачі, які працюють на довжинах хвиль 0.85, 1.31, 1.55 мкм. Саме на цих довжинах спостерігаються “вікна прозорості” скла.

Відповідно оптичні волокна оптимізовані по поглинанню саме для цих довжин хвиль.

Загальні втрати, як відомо, складаються не тільки з поглинання, але саме вони складають основну частину втрат в оптичних волокнах.

У сучасних волокнах досягаються досить високі параметри по поглинанню. Наприклад, для багатомодового волокна 50/125 на довжині хвилі 0.85 мкм спостерігаються втрати приблизно 3 дБ/км. Для того ж волокна на довжині хвилі 1.31 мкм втрати не перевищують 1 дБ/км.

В одномодовом стандартному волокні SF (з ступінчастим розподілом показника заломленням). Стандартна крива затухання для такого волокна наведена на рисунку 1.3.2. Для стандартного волокна одномодовий режим реалізується для довжин хвиль 1.31 і 1.55 мкм та досягнуті такі параметри:

1.31 мкм – 0.3-0.4 дБ/км;

1.55 мкм – 0.2-0.25 дБ/км.

П

Рис. 1.3.2

роте незважаючи на те, що на другій довжині хвилі поглинання менше, частіше використовується перша довжина хвилі, оскільки саме в околі цієї хвилі відсутня хроматична дисперсія.

Одномодове волокно з зміщеною дисперсією DSF

Для того, щоб оптимізувати одномодове волокно по поглинанню завдяки підбору профілю показника заломлення, зміщують точку нульової дисперсії в область довжини хвилі 1.55 мкм. За допомогою таких волокон можуть бути реалізовані ділянки передачі сигналу без ретрансляційних пристроїв довжиною до 100 км.

Одномодове волокно з зміщеною ненульовою дисперсією NZSDF

На відміну від DSF-волокна це волокно оптимізоване для декількох довжин хвиль.

Такі волокна виготовляють шляхом створення депресивного кільця в оптичній оболонці. Ці волокна називають ще одномодовими волокнами з згладженою (вирівняною) дисперсією. Дисперсія таких волокон приблизно та сама, як і у стандартного волокна з ступінчастим профілем для довжини хвилі 1.31 мкм. Проте з збільшенням довжини хвилі хвости хвиль проникають у депресивне кільце із більшим показником заломлення. Відповідно збільшується загальна швидкість розповсюдження хвилі вздовж хвилеводу. При цьому відомо, що для більшої довжини хвилі показник заломлення середовища менший ніж для хвиль з меншою довжиною. Це явище, як відомо, має назву звичайної дисперсії або “матеріальної” дисперсії. Отже, “хвильова” дисперсія (проникнення хвилі в шар світловоду з більш високим показником заломлення) компенсує “матеріальну” дисперсію. Внаслідок цього константи розповсюдження всіх коливань з різною довжиною хвилі залишаються приблизно однаковими, тобто створюється можливість передавати сигнали з декількома довжинами хвиль (мультиплексний хвильовий сигнал).

№3. Дисперсія

Ще раз повернемося до явища дисперсії та підсумуємо відомі факти (див. частину І посібника, п. 2.4). Дисперсія поділяється на міжмодову (модову) та хроматичну. Хроматичну дисперсію у свою чергу можна поділити на матеріальну (звичайну) дисперсію та хвильову, яка має місце градієнтних волокнах. У нашому розгляді випущено ще один тип дисперсії - так звану поляризаційну дисперсію. Такого типу дисперсія може виникати, наприклад, у волокнах, в яких спостерігаються відхилення форми перерізу волокна від кола. Оптична хвиля, як відомо, має векторний характер, тобто процес розповсюдження хвилі у волокні можна представити як розповсюдження ТЕ- і ТМ-коливання. Якщо структура волокна однорідна, переріз правильної форми, то ТЕ- і ТМ-хвилі мають однакові константи розповсюдження. Проте в процесі виготовлення або прокладки волокна коло може перетворитися на еліпс. Окрім цього, за рахунок вигинів, інших механічних збурень може виникати локальна анізотропія. У такому випадку ТЕ- і ТМ-моди мають різні константи розповсюдження. Отже, процес розповсюдження інформаційного сигналу супроводжується руйнуванням сигналу внаслідок різної швидкості, яка притаманна ортогонально-поляризованим модам. Зауважимо що, поляризаційна дисперсія за порядком набагато менше ніж міжмодова та хроматична. Отже, такою дисперсією можна нехтувати (особливо для багатомодових волокон). Проте у випадку, коли модова та хроматична дисперсії практично скомпенсовані та на граничних за довжиною ділянках ліній (особливо для одномодових волокон) вплив поляризаційної дисперсії стає досить помітним.

Модова* дисперсія здебільшого вимірюється в пс/км (час затримки на одиницю довжини). Хроматична дисперсія характеризується коефіцієнтом дисперсії що вимірюється в пс/(нм км). Поведінка коефіцієнту хроматичної

* додатково дивись пункт 1.4.5.

дисперсії подана на рисунку 1.3.3.

Повна дисперсія у волокні визначається за виразом:

, (1.3.2)

д

Рис. 1.3.3. Поведінка коефіцієнту дисперсії для різних типів волокон:

1 – волокно з ступінчастим профілем;

2 –волокно з зміщеною дисперсією;

3 – волокно з складним профілем показника заломлення

е – коефіцієнт міжмодової дисперсії, – коефіцієнт хроматичної дисперсії, – ширина спектральної лінії, – довжина волокна, – коефіцієнт зв’язку мод, який являє собою емпіричну величину зі значенням 0.6-0.7. Вираз (1.3.2) справедливий, якщо нехтувати поляризаційною дисперсією. Коефіцієнт виникає внаслідок того, що не завжди процес розповсюдження мод незалежний. За відповідних умов енергія одного коливання може перекачуватися в іншу моду і т. ін.

Як бачимо з рисунка для волокон з складним профілем показника заломлення може спостерігатися декілька точок нульової дисперсії

№4. Геометричні параметри волокна