Додаток с. Структура світловоду і режими проходження променя

Устройство световода иллюстрирует рис. С.1. Внутренняя часть световода назы­вается сердцевиной (core, иногда переводят как «ядро»), внешняя — оптической оболочкой волокна, или просто оболочкой (cladding). В зависимости от траекто­рий распространения света различают одномодовое и многомодовое волокно. Многомодовое волокно (multi mode fiber, MMF) имеет довольно большой диаметр сердцевины — 50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм или 100 мкм при оболочке 140 мкм. Одномодовое волокно (single mode fiber, SMF) имеет диаметр сердцевины 8 или 9,5 мкм при том же диаметре оболочки. Снаружи оболочка имеет защитное покрытие (coating) толщиной 60 мкм, называемое также защит­ной оболочкой. Световод (сердцевина в оболочке) с защитным покрытием назы­вается оптическим волокном. Оптоволокно в первую очередь характеризуется диаметрами сердцевины и оболочки, эти размеры в микрометрах записываются через дробь: 50/125, 62,5/125, 100/140, 8/125, 9,5/125 мкм. Наружный диаметр волокна (с покрытием) тоже стандартизован, в телекоммуникациях в основном используются волокна с диаметром 250 мкм. Применяются также и волокна с буферным покрытием, или просто буфером (buffer), диаметром 900 мкм, нане­сенным на первичное 250-мкм покрытие.

Рис. С.1. Оптоволокно в буфере:

а — одномодовое,

б — многомодовое.

1 — сердцевина,

2 — оптическая оболочка,

3 — защитное покрытие,

4 — буфер (необязательный)

Распространение света в волокне иллюстрирует рис. С.2. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в него под углом не более некоторого критического относительно оси волокна, то есть попадать в вообра­жаемый входной конус. Синус этого критического угла называется числовой апертурой световода NA и определяется через абсолютные показатели прелом­ления слоев по формуле

В многомодовом волокне показатели преломления сердцевины и оболочки различаются всего на 1-1,5 % (например, = 1,515 :1,50). При этом апертура =0,2-0,3, и угол, под которым луч может войти в световод, не превышает 12-18° от оси. В одномодовом волокне показатели преломления различаются еще меньше ( = 1,505:1,50), апертура =0,122 и угол не превышает 7° от оси. Чем больше апертура, тем легче ввести луч в волокно, но при этом увеличи­вается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания (см. ниже). Числовая апертура характеризует все компоненты оптического канала — световоды, источ­ники и приемники излучения. Для минимизации потерь энергии апертуры со­единяемых элементов должны быть согласованными друг с другом.

Рис. С.2. Ввод света в оптоволокно.

1 — входной конус,

2 — осевая мода,

3 — мода низкого порядка,

4 — мода высокого порядка

Строго говоря, распространение сигнала в оптоволокне описывается уравне­ниями Максвелла. Возможные решения уравнений Максвелла соответствуют различным световым модам. В большинстве случаев можно пользоваться при­ближением геометрической оптики. Если рассматривать распространение сигна­ла с позиций геометрической оптики, то световые лучи, входящие под различны­ми углами, будут распространяться по разным траекториям (рис. С.3). Более высоким модам соответствуют лучи, входящие под большим углом, — они будут иметь большее число внутренних отражений по пути в световоде и будут прохо­дить более длинный путь. Число мод для конкретного световода зависит от его конструкции — показателей преломления и диаметров сердцевины и оболочки — и длины волны.

Рис. С.3. Распространение волн в световодах:

а — в одномодовом;

б — в многомодовом со ступенчатым профилем;

в — в многомодовом с градиентным профилем.

1 — профиль показателя преломления,

2 — входной импульс,

3 — выходной импульс

Световой импульс, проходя по волокну, из-за явления дисперсии изменит свою форму — «размажется». Дисперсия бывает трех видов: модовая, молеку­лярная и волноводная.

Модовая дисперсия (modal dispersion) в многомодовом волокне возникает из-за разности длин путей, проходимых лучами различных мод. Эта дисперсия определяется как разность времени прохождения единицы длины волокна раз­личными модами, для нее типичны значения 15-30 нс/км для волокна со сту­пенчатым профилем. Ее можно уменьшать, сокращая количество мод — уменьшая диаметр сердцевины (в пределе до одномодового). Кроме того, эту дисперсию уменьшает применение градиентного профиля показателя преломления. Как видно из рисунка 3, применение сердцевины с градиентным изменением пока­зателя преломления в многомодовом волокне позволяет уменьшить количество мод, а следовательно, и уменьшить искажение выходного импульса. Кроме того, лучи, идущие по длинным траекториям, значительную часть пути проходят по среде с меньшей плотностью — их скорость больше, и приходят они почти одно­временно с лучами более коротких траекторий.

Спектральная дисперсия, называемая также молекулярной или материальной, вызвана тем, что волны с разной длиной распространяются в одной и той же сре­де с различной скоростью, что обусловлено особенностями молекулярной струк­туры. Поскольку источник излучает не одну волну, а спектр (пусть и узкий), лучи различной длины волны будут достигать приемника не одновременно. В об­ласти около 850 нм более короткие волны по световоду движутся медленнее, чем более длинные. В области 1550 нм ситуация обратная. В области около 1300 нм дисперсия нулевая. Молекулярная дисперсия определяется как разность вре­мени прохождения по волокну излучения различных длин волн, отнесенная к разности длин этих волн и длине волокна (единица измерения — пс/нм/км). Молекулярная дисперсия существенна для одномодового волокна (в многомодо­вом ее влияние малозаметно). Снизить ее влияние можно уменьшением ширины полосы излучения источника и выбором оптимальной длины волны.

Волноводная дисперсия, актуальная для одномодового волокна, обусловлена разностью скоростей распространения волн по сердцевине и оболочке.

В одномодовом волокне, кроме ступенчатого профиля показателей преломле­ния, применяют и более сложные: W-образный двухступенчатый с депрессированной двойной оболочкой и треугольный, — наиболее эффективно подавляющие паразитные моды. Этим достигается снижение влияния дисперсии на форму пе­редаваемого сигнала, за что такое волокно называют True wave — истинная волна.

Режим передачи — одномодовый или многомодовый — определяется спосо­бом ввода света в волокно (инжекции), конструкцией волокна и длиной волны источника. Ввод света для одномодового режима должен осуществляться узким лучом точно вдоль оси волокна, здесь в качестве источника можно использовать только лазер. Для многомодовой передачи может использоваться и более деше­вый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направлен­ности. Передача в одномодовом режиме возможна лишь при длине волны, пре­вышающей некоторое пороговое значение (cut-off wavelength). Эта пороговая длина волны определяется конструкцией волокна (диаметром сердцевины). Во­локно для одномодовой передачи на длине волны 1300 нм имеет пороговую дли­ну волны около 1200 мкм. Следовательно, в таком волокне на длине волны 850 нм одномодовая передача невозможна. При одномодовой передаче луч пере­дается и по внутренней части оболочки, поэтому ее прозрачность, как и прозрач­ность сердцевины, влияет на затухание сигнала. Здесь световой луч характеризу­ется диаметром модового пятна - области сечения волокна, через которую он распространяется (больше, чем сердцевина). В многомодовом волокне через обо­лочку свет не идет, так что ее прозрачность несущественна.

При работе лазерного источника на многомодовое волокно при некоторых условиях на неоднородностях среды луч может расщепиться на несколько мод, распространяющихся по сильно различающимся траекториям. Этот эффект дифференциальной модовой задержки, DMD (Differential Mode Delay), приводит к дрожанию (jitter) сигнала на приемном конце, степень которого зависит от длины волокна. Эффект DMD по действию напоминает модовую дисперсию. Влияние DMD для волокна с градиентным профилем показателя преломления можно ослабить, если луч вводить не точно по центру сердцевины, а со смещени­ем от оси на 10-15 мкм. Смещение осуществляется либо в передатчике, либо в специальном переходном шнуре МСР (media conditioning patch-cord).

Для многомодового волокна существует понятие равновесного распределения мод — РРМ, ему соответствует английский термин EMD (equilibrium mode dist­ribution). Эффективность переноса энергии в разных модах различна — потери в высоких модах больше потерь в низких. В реальных волокнах из-за изгибов и неоднородностей по мере движения свет может переходить из одной моды в другую. В переполненном волокне в переносе энергии участвуют и неэффективные моды. В ненаполненном волокне используются только моды низких порядков. Изначаль­но модовое распределение определяется источником света: светодиод обычно пе­реполняет волокно, лазер не наполняет волокно. По мере удаления от источника, переполняющего волокно, наступает состояние равновесного распределения мод (РРМ), и дальше переходов не происходит. Интересно то, что до наступления равновесия погонное затухание пропорционально длине волокна, а после на­ступления — пропорционально квадратному корню из длины. Для стеклянного волокна РРМ наступает на расстоянии, измеряемом километрами, для пластико­вого — метрами. Степень наполнения волокна влияет на результаты измерения его характеристик, а также на результаты измерений потерь, вносимых стыком.

Измерение вносимых потерь для соединения в условиях РРМ даст большее значение, но оно отражает реальное затухание, вносимое стыком в длинную ли­нию. Достижения РРМ на малой длине можно добиться, обернув волокно 5 раз вокруг стержня, диаметр которого равен двукратному минимально допустимому (для данного волокна) радиусу изгиба.