1. Основы теории распространения сигналов в оптических световодах. Основные параметры оптических световодов

Все современные технологии связи, а также возможности значительного увеличения скорости, мощности, дальности, емкости потоков данных при передаче света по волокну основываются на классической теории применения волоконно-оптических линий связи.

Параметры оптических волокон.

Следует отметить, что существуют два вида параметров оптических волокон: геометрические и оптические параметры.

Среди геометрических параметров ОВ выделяют параметры кварцевого световода и параметры покрытия. Первые являются наиболее существенными и определяют тип световода. Наиболее важный параметр ОВ - диаметр сердцевины, поскольку геометрические размеры и профиль показателя преломления сердцевины определяют модовый состав ОВ.

Кроме вышеперечисленных, к геометрическим параметрам относятся: длина волоконного световода, некруглость (овальность) сердцевины , некруглость (овальность) оболочки, неконцентричность (некоаксиальность, концентричность, коаксиальность) сердцевины и оболочки, концентричность (коаксиальность, неконцентричность, некоаксиальность) покрытия.

К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:

• относительная разность показателей преломления - ∆,

• числовая апертура - NA,

• нормированная частота - ν,

• число распространяющихся мод - М,

• диаметр модового поля – D_мп,

длина волны отсечки (критическая длина волны) - λ_от.

Относительная разность показателей преломления (ПП) характеризуется соотношением показателей преломления сердцевины – n₁ и оболочки – n₂ и оп­ределяется выражением

Для большинства ОВ  = 10 ^-2 – 10^-3.

Числовая апертура (NA) является одной из основных характеристик, оп­ределяющих условия ввода оптических сигналов и процесс их распространения вОВ.

Выражение для числовой апертуры ОВ с градиентным профилем показа­теля преломления

,

Д ля ОВ с параболическим профилем показателя преломления

где п₁ - максимальное значение показателя преломления сердцевины ОВ;

п₂ - значение показателя преломления оболочки.

Определение числовой апертуры косых лучей градиентных ОВ представ­ляет собой еще более сложную задачу, чем в случае ступенчатых.

Нормированная частота представляет обобщенный параметр, включаю­щий в себя радиус сердцевины, длину волны, коэффициенты преломления сердцевины и оболочки и характеризует режим работы ОВ (одномодовый или многомодовый):

где а - радиус сердцевины ОВ, X - длина волны, п₁ и п₂ - показатели преломле­ния сердцевины и оболочки.

Число распространяющихся мод (М) в многомодовом оптическом волок­не (MOB) с диаметром сердцевины d_c и заданной числовой апертурой NA на длине волны X определяется через нормированную частоту ν.

Для уменьшения количества распространяющихся мод следует умень­шать а и ∆. Однако этому в определенной степени препятствуют следующие факторы: при меньшем диаметре сердцевины обычно возрастают потери на вводе, при меньшем ∆ увеличиваются потери на изгибах волокна.

Понятие диаметра модового поля (D_мп) используется при анализе одномодовых волокон и оценивает размеры поперечного распространения энергии основной моды в ОВ.

Длина волны отсечки характерна для одномодовых ОВ и определяет минималь­ную (критическую) длину волны, при которой в ОВ распространяется одна мо­да.

Режим распространения только одной моды НЕ₁₁, можно обеспечить, реа­лизуя условие ,

которое можно выполнить, уменьшая либо разность показателей преломления ∆_n, либо радиус сердцевины а