6. Типы волокна.

Таким образом, по профилю коэффициента преломления существуют три основных типа волокна: ступенчатое, градиентное и одномодовое. Профили показателя преломления ступенчатого и градиентного волокон показаны на рис.1.2. Ход кривой показателя преломления градиентного волокна обычно представляет собой параболу. Диаметр сердцевины многомодовых ступенчатого и градиентного волокон равен 50 мкм, а полный диаметр волокна 125 мкм. Стандарты допускают также изготовление многомодовых волокон с диаметром сердцевины 65 мкм. Одномодовое волокно в своём классическом варианте является ступенчатым волокном, но диаметр сердцевины порядка 10 мкм. Одномодовое волокно обладает существенно меньшей дисперсией даже по сравнению с градиентным волокном, о чём будет рассказано в следующем разделе. Стандарты допускают изготовление волокон с другими параметрами для ряда специфических случаев, например, оптических систем летательных аппаратов и т.п. О некоторых других типах волокон, в частности, о волокнах из полимеров, халькогенидных стёклах и фотонно-кристаллических будет рассказано позже.

2. Дисперсия в оптическом волокне

1. Причины и виды дисперсии

Основной причиной возникновения дисперсии в волокне является некогерентность источника излучения (лазера). Идеальный источник всю мощность излучает на заданной длине волны λ₀ , однако реально излучение идёт в спектре λ₀ ± Δλ (рис.2.1), так как не все возбуждённые электроны возвращаются в то же состояние , из которого они были выведены при накачке.

Рис.2.1. Реальное излучение лазера

Коэффициент преломления является частотнозависимой величиной, то-есть n есть функция от λ: n = f (λ), см. рис.2.2.

Рис.2.2. Зависимость коэффициента преломления от длины волны

Следовательно, при распространении сигнала, состоящего из смеси длин волн λ₀ ± Δλ , части сигнала идут с разной скоростью, и возникает дисперсия:

λ ± Δλ → n ± Δn → c /( n ± Δn) → v ± Δv → Δτ.

Этот вид дисперсии называется материальной дисперсией.

Поперечная постоянная распространения волны (вдоль радиуса волокна) также зависит от длины волны, то есть от длины волны зависит площадь моды и площадь той части оболочки, которая захватывается площадью моды, выходящей за границы сердцевины. Распространение света вдоль пограничной с сердцевиной части оболочки идёт с большей скоростью, чем по сердцевине, что вносит вклад в изменение дисперсии. Эта дисперсия называется волноводной дисперсией. Обе эти дисперсии, материальная и волноводная, в сумме называются хроматической дисперсией. Они складываются арифметически. На рис.2.3 показаны зависимости материальной и волноводной дисперсии и их суммы от длины волны. Для стандартного одномодового волокна при λ = 1300 нм эти дисперсии равны и противоположны по знаку, и суммарная дисперсия равна нулю.

Рис.2.3. Зависимость материальной и волноводной дисперсии в стандартном одномодовом волокне от длины волны (нм)

В многомодовом волокне кроме хроматической дисперсии существует ещё межмодовая дисперсия. Если мод несколько, то каждая распространяется вдоль волокна со своей скоростью, которые могут значительно отличаться друг от друга. На рис.2.4 приведены графики фазовых скоростей некоторых мод.

Рис. 2.4. График фазовых скоростей некоторых мод в зависимости от частоты.

Если параметры волокна меняются, например, случайно изменится диаметр сердцевины, происходит перестройка мод, и моды обмениваются энергией. Межмодовая дисперсия на порядок больше хроматической дисперсии, что явилось причиной разработки одномодовых кабелей, в которых межмодовая дисперсия отсутствует. В таблице 2.1 приведено примерное соотношение величин видов дисперсии для различных типов волокон.

Табл.2.1. Соотношение между различными видами дисперсии

Суммарная дисперсия определяется как корень квадратный из суммы квадратов хроматической и межмодовой дисперсий:

(2.1)

Материальная и волноводная дисперсии рассчитываются по формулам

τ_мат = ∆λ∙ М(λ)∙ L (2.2),

τ_вв = ∆λ∙ В(λ)∙ L (2.3),

где ∆λ – ширина полосы излучения лазера, нм;

М(λ) и В(λ) – удельные материальная и волноводная дисперсии, пс/(нм·км);

L – длина линии, км.

Величины М(λ) и В(λ) приводятся в справочниках.

τ_Σ = [τ_мм² +(τ_мат + τ_вв)²]^1/2

Вариант табл. 2.1. Примерные значения величин дисперсии для различных типов волокон

	Ступенчатое ОВ	Градиентное ОВ	Одномодовое ОВ
Материальная	0.1 пс/км	0.1	Взаимно компенсируются
Волноводная	2 - 5	0.1 – 0.3
Межмодовая	20 - 50	1 - 4	отсутствует