Додатки до розділу 11 Додаток а. Моди в оптичних волокнах

Мода - це електромагнітна хвиля певного типу, яка має певну просторову структуру векторів Е та Н. Коли відбувається передавання оптичного сигналу (навіть однієї довжини хвилі), то його переносять усі наявні моди. Кількість мод в одному волокні обмежена його конструкцією, частотою хвилі. Кожна мода має граничну частоту сигналу, нижче якої вона не існує. Для ВОК користуються поняттям нормованої частоти V:

де а - радіус серцевини волокна; λ—довжина хвилі світла; n1 - показник заломлення серцевини; n2 - показник заломлення оболонки.

Розглянемо графік залежностей нормованої частоти V від β (поздовжньої сталої поши­рення); β характеризує швидкість поширення моди за фіксованого значення V (рис. А.1).

Як бачимо з формули та з графіків, є деяка нормована частота, нижче якої може поширю­ватися тільки одна мода світла. Для отримання волокна, у якому могла б поширюватися тільки одна мода, треба використовувати найменші діаметри, найбільші довжини хвиль і незначні відмінності у коефіцієнтах заломлення серцевини та оболонки.

Чому ж важливо обмежувати кількість мод? Різні моди мають різний час поширення. Надходження різних мод одного змісту в різні моменти часу призводить до збільшення ширини імпульсу. Це явище називають міжмодовою дисперсією. Крім міжмодової, є хроматична, а також поляризаційна дисперсії. Хроматична дисперсія, наприклад, зумовлена некогерентністю джерела світла. У цьому разі різні спектральні складові поширюються з різними швидкостями.

Рис. А.1. Моди в оптоволокні

Міжмодова дисперсія суттєво обмежує перепускну здатність кабелю - тривалість сиг­налу не може бути меншою, ніж міжмодова дисперсія. Наприклад, значення міжмодової дис­персії у 20 нс/км обмежує швидкість передавання до 50 Мбіт/с.

На практиці міжмодова дисперсія значно перевищує хроматичну (міжмодова має 15-20 пс/км, хроматична — 2—5 пс/км).

Додаток в. Параметри оптоволокна

Усі параметри оптоволокна можна розділити на такі групи:

• геометричні;

• оптичні;

• передавання даних;

• механічні.

Геометричні параметри визначають ступінь наближення форми частин оптоволокна до стандарту. З огляду на недосконалість геометричних параметрів, що трапляється внаслідок різних відхилень та недоліків у технологічному процесі виготовлення оптоволокна, може від­буватися втрата частини сигналу на місцях сполучення волокон. До геометричних параметрів належать:

• діаметр серцевини (5-10 мкм для одно- та 50, 62.5 мкм для багатомодових);

• діаметр оболонки (125 мкм);

• некруглість оболонки. Визначена відхиленням перерізу оболонки від кола, її обчис­люють як різницю між максимальним та мінімальним діаметрами оболонки, поділену на номінальний діаметр:

• похибка концентричності серцевини/оболонки. Визначає ступінь незбіжності геомет­ричних центрів серцевини та оболонки. Обчислюють як відстань між геометричними центрами серцевини та оболонки, поділену на діаметр серцевини;

• похибка концентричності медового поля. Параметр специфікує відстань між центром медового поля та геометричним центром оболонки, поділену на діаметр модового поля.

Оптичні параметри. Від оптичних параметрів волокна залежать втрати сигналу на згинах, його загасання, втрати на вході та виході кабелю.

Для одномодових волокон важливим є діаметр модового поля. Його розуміють як частину діаметра серцевини, у якій зосереджена переважна частина енергії головної моди. Якщо модове поле вийде за межі серцевини, то збільшаться втрати сигналу на згинах і стиках волокон. Зі збільшенням довжини хвилі діаметр модового поля збільшується.

Параметр довжини хвилі відсікання визначає ту мінімальну довжину хвилі передавання, за якої ще наявна тільки одна мода. Робоча довжина хвилі дещо менша від значення хвилі відсікання.

Профіль показника заломлення характеризує зміну цього показника вздовж діаметра оптоволокна. Він відображає розподіл електромагнітного поля у хвилеводі.

Рис. В.1. Профілі показника заломлення в оптоволокні

В багатомодових волокнах (рекомендація G.651) використовують градієнтні профілі, що зменшують міжмодову дисперсію; в одномодових (G.652) - ступінчастий профіль показника заломлення. Такі кабелі дешеві та забезпечують максимальну смугу перепускання на хвилі 1310 нм. Для одномодових волокон, що працюють на інших довжинах хвиль (1550 нм), застосовують складніші профілі (G.653-G.655). Однак такі волокна складніші у виготовленні та дорожчі (рис. В.1).

Максимальний кут уведення оптичних променів у волокно для багатомодового волокна (особливо коли джерелом світла є світлодіод) визначений параметром числової апертури (Numerical Aperture (NA)).

Параметри передавання. Ступінь загасання сигналу відображає коефіцієнт загасання. Цей коефіцієнт залежить від довжини хвилі світла. Мінімуми загасання утворюють вікна про­зорості скловолокна, які розташовані на 1.55, 1.3, 0.85 мкм.

Іншим параметром передавання є смуга перепускання кабелю. Цю смугу перепускання обмежують різні типи дисперсії сигналу. Дисперсія сигналу призводить до збільшення довжини імпульсу та можливого накладання імпульсів. Дисперсії можуть бути зумовлені різними причинами. Розрізняють міжмодову, хроматичну та поляризаційну дисперсії.

Рис. В.2. Вікна прозорості

Міжмодова дисперсія буває в багатомодових кабелях і виникає внаслідок взаємного впливу різних мод. Хроматична дисперсія виникає через недостатню монохроматичність світла та наявність різних спектральних складових. Причиною поляризаційної дисперсії є неідеальна кругова форма пере­різу серцевини кабелю. У цьому разі виникають розбіжності в групових швидкостях переда­вання двох головних складових головної моди.

Механічні параметри оптоволокна визначають стійкість кабелю до механічних напру­жень. Під час виготовлення волокна внаслідок недоліків технологічного процесу в ньому можуть виникнути мікротріщини, які в ході експлуатації можуть збільшуватися і призведуть спочатку до збільшення втрат сигналу, а потім і до розриву оптоволокна. Тому після виготовлення волокна натягують з нормованим зусиллям 0.69 ГПа. Якісне волокно збільшує довжину на 1 %, а неякісне розривається. Таке випробування гарантує механічну стійкість кабелю протягом 35 років екс­плуатації. Цей параметр називають рівнем механічної міцності.

Іншим параметром с коефіцієнт опору динамічної втомленості матеріалу. Він описує ступінь стійкості матеріалу до невеликих, проте тривалих у часі напружень.