9.1.3.3. Диаметр поля моды

Полученное выше расхождение теории и практики объясняется рядом причин. Одна из них кроет­ся в фактическом распределении поперечных (т.е. в плоскости поперечного - ху - сечения ОВ) со­ставляющих поля моды F(x,y). Ввиду сложности точных решений поперечное поле моды (назы­ваемое также пятном моды) аппроксимируют гаусовской кривой вида

F(x,y) - expf-tf+y²)/^, (9-9)

где г_1Ш - фактический радиус поля моды.

На практике размер, радиус (или диаметр) поля моды с1_1Ш , измеряемый (например, по ме­тоду поперечного сдвига [268]) по ширине указанной гауссовской кривой распределения попереч­ного поля на уровне 1/е (0,369) от максимума, больше диаметра сердечника d_c благодаря наличию экспоненциально-спадающего поля моды за границами сердечника.

Производители приводят измеренное значение диаметра поля моды d_im в качестве нор­мируемого параметра ОМ-волокна, эквивалентного физическому диаметру сердечника. Диаметр

поля моды для типичного ОМ ОВ достаточно сложно зависит от длины волны [268]. Он имеет максимум (12,7 мкм) в районе 1150 нм, минимум (9,4 мкм) в районе 1230 нм (эту точку также на­зывают критическая длина волны) и участок линейного роста (с наклоном 6,67 нм/нм) от этой длины волны в сторону длинных волн.

Интересно отметить, что теоретическое значение Л_отс можно численно, с хорошей точно­стью, скорректировать до практически замеренного умножением на отношение (1/(1,_ш. Так, для то­го же стекла Corning имеем: 1409-8,3/9,3=1257 нм, что согласуется с измеренным значением 1260 нм, приведенным в спецификации ОМ-волокна [180].

9.1.3.4. Число мод многомодового волокна

Число мод, возникающих в ММ-волокне N можно оценить, используя нормированную частоту V, тогда оно определяется формулой [33], где М показатель степени кривой изме-

нения профиля п_с (со для ступенчатого профиля и 2 - для плавного профиля), или

(9-10)

Так, для широко используемого ММ-волокна с минимальным диаметром сердцевины d_c = 50 мкм, длины волны источника Л₀=1300 нм и показателей ММ-волокна компании Corning [181] (NA₀=0,20), получаем N=292 для ступенчатого и N = 146 для плавного профилей показателя пре­ломления. Этот показатель, как правило, не нормируется производителями, но видна тенденция к его снижению путем перехода к меньшим диаметрам ММ-волокна: 200 - 100 - 62,5 - 50 мкм. Зату­хание такого волокна (50 мкм) снижено в настоящее время до величин 0,5-0,8 дБ/км [181].

9.1.4. Профиль изменения показателя преломления

В простейшем случае оптоволокно имеет ступенчатый профиль изменения показателя пре­ломления (см. рис. 9-2,а). Однако в таком волокне лучи, вошедшие под различными углами, име­ют различную геометрическую длину пути (осевой - минимальную, крайний апертурый - макси­мальную), что при одинаковой фазовой скорости света в среде (n_c=const) приводит к различному фазовому запаздыванию (или дисперсии фазы), являющееся одной из причин расплывания им­пульса при его распространении по волокну.

Для уменьшения влияния этого явления (которое резко выражено для многомодового во­локна и тем резче, чем больше диаметр сердцевины) можно изменять показатель преломления по­степенно от края сердцевины к середине (зона максимума, см. рис. 9-2,6). Условия распростране­ния при этом для разных лучей (осевого и апертурных) становятся разными (n_c=variable): ско­рость апертурных лучей (имеющих большую геометрическую длину) на периферии сердцевины больше, чем скорость осевого луча. Это приводит к эффекту самофокусировки (за счет выравни­вания времени прохождения различных лучей в оптоволокне) и резкому снижению дисперсии фа­зы, т.е. к улучшению характеристик многомодового волокна со специально профилированным показателем преломления, называемого иногда градиентным (результат неточного перевода прилагательного graded (профилированный, плавно меняющийся) в термине graded index - профи­лированный показатель преломления). Характер изменения профиля оценивается показателем степени М кривой, аппроксимирующей кривую изменения показателя преломления. Как правило М=2, т.е. профиль соответствует квадратичной параболе, по этой причине такой профиль точнее называть параболическим или квадратичным.

Для одномодового волокна модовая дисперсия отсутствует, поэтому в основном использует­ся простой ступенчатый профиль изменения показателя преломления (см. рис. 9-2,в). Другие типы одномодового волокна - волокно со смещенной (нулевой) дисперсией, с плоской (ненулевой) дис­персией или с компенсацией дисперсии имеют более сложный профиль показателя преломления ввиду использования многослойных оболочек или специальных компенсаторов (см. разд. 9.4. l.l).

Волокна со смещенной дисперсией имеют дисперсионную характеристику, нуль кото­рой смещен в область центра третьего окна - 1550 нм. Учитывая широкое использование систем волнового мультиплексирования, требующих оптимизации показателя преломления не в одной точке, а в определенном диапазоне длин волн, например, 1530-1565 нм и шире, а также учитывая нежелательную возможность влияния четырехволнового смешения (см. ниже), волокна со сме­щенной нулевой дисперсией, едва появившись, уступили место волокнам с ненулевой (и маломе-няющейся в рабочем диапазоне) дисперсией, показатель преломления которой не равен нулю, но мало меняется в указанном диапазоне волн. Показатель преломления таких волокон имеет харак­терную форму трезубца, амплитуда центрального зубца которого существенно больше боковых зубцов.