Лекції 27. Принципи фізики проходження сигналу в оптоволокні. Завади. Світлоприймачі. Принципи фізики проходження сигналу в оптоволокні Процеси в плоскому оптичному хвилеводі

Базовим елементом інтегральної оптики є оптичний плоский хвилевід, що являє собою тонкий діелектричний шар з показником заломлення n_x, що нанесений на підкладки із заломленням n_n (n_n < n_x). Поверх хвилеводного шару нанесене покриття з показником заломлення n₀ (n₀ < n_n). Зазвичай виконується така умова:

n_x > n_n > n₀

Обов’язкові вимоги до хвилеводу:

1. оптична прозорість в даному спектральному діапазоні;

2. досконалість поверхонь поділу структури.

В залежності від співвідношення показників заломлення n_x, n_n, n₀, а також від кута падіння світлової хвилі на межі поділу, хвиля може або каналізуватися в хвилеводному шарі (спрямована хвиля, хвилеводні моди), або виходити на підкладку чи шар покриття, випромінюючи радіаційні моди. Мода це – тип електромагнітної хвилі.

Різні типи мод в багатошаровій структурі при n_х>n_п>n₀

1 – перша мода, 2 – мода підкладки.

, n=1,

.

Оскільки n_х>n_п>n₀, то при достатньо великих кутах _x (малих _t) спостерігається явище повного внутрішнього відбивання, яке полягає в тому, що заломлення світла на верхній і нижній межі хвилеводу не відбувається і вся енергія переноситься з відбитою хвилею, повертаючись в більш оптично щільне середовище.

, ,

.

Критичний кут падіння, більше якого відбувається повне внутрішнє відбивання, залежить від співвідношення показників заломлення матеріалів по обидва боки від поверхні поділу.

– на підкладці,

– на шарі покриття.

Оптичний хвилевод дозволяє значно зменшити втрати енергії при її передачі на великі відстані, а також передавати світло по криволінійним траєкторіям.

Ослаблення світла у різних середовищах

Ослаблення світлового потоку при проходженні через речовину пояснюється в першу чергу поглинанням світла. Для монохроматичних хвиль справедливий закон Бугера (одержаний експериментальним шляхом):

,

який пов’язує інтенсивність світла I на виході з шару речовини товщиною l з інтенсивністю світла, що ввійшло в речовину, та товщиною шару l.  - деяка константа, що залежить від речовини, її розмірність – [1/м].

Проте експериментальні дані показують, що ослаблення світла у речовині залежить і від його довжини хвилі (або частоти). Так, для кварцевого скла, котре використовується у волоконно-оптичних лініях зв’язку, максимуми поглинання спостерігаються значеннях довжини хвилі =0,95; 1,24 та 1,39 мкм. Затухання нижче 1 дБ/км може бути отримане лише у так званих вікнах прозорості (=0,8; 1,2; 1,3 та 1,55 мкм).

В реальних волоконно-оптичних лініях зв’язку втрати можуть спричинятися також недостатньою чистотою скла, непостійністю товщини волокна та щільності матеріалу, згинами, роз’ємними чи нероз’ємними з’єднаннями.

Завади в оптоволоконній лінії зв’язку

Завади в оптоволоконній лінії зв’язку можуть спричинятись дією зовнішніх чинників (наприклад, шумом приймача) та внутрішніми явищами у оптичному кабелі.

Взаємні впливи між оптичними волокнами (світловодами) виникають через такі явища:

• вплив регулярного електромагнітного поля випромінювання сусідніх оптичних волокон;

• відбиванням світлових сигналів від неоднорідностей у волокні та випроміненням відбитих хвиль у навколишній простір;

• мікро- та макрозгинами оптичних волокон, які також викликають випромінювання електромагнітних хвиль;

• випромінюванням енергії сигналів у місцях зрощення оптичних волокон, їх комутації, розгалуження та фільтрації;

• релеєвським розсіюванням в оптичних волокнах.

На відміну від звичайних ліній зв’язку взаємні впливи між волокнами оптичного кабелю практично не залежать від спектру інформаційних сигналів, а визначаються конструкцією кабелю та волокна, а також параметрами джерела випромінювання. Найбільші впливи між оптичними волокнами мають місце в оптичних кабелях з великим числом волокон, їх щільним розташуванням та малою товщиною оболонок і захисних покривів, а також у системах передачі, в яких використовуються світлодіоди, оскільки їх частота випромінювання в 15...20 разів ширша, ніж у напівпровідникових лазерів.

Нерегулярні зв’язки між світловодами оптичного кабелю виникають в основному внаслідок розсіяння на молекулярних неоднорідностях (розсіяння Релея), нерегулярностях межі між сердечником та оболонкою і на мікрозгинах. Ці поля є основною причиною виникнення взаємних завад. Розсіяння Релея приблизно однаково властиве для всіх мод випромінювання, а мікрозгини та мікронеоднорідності призводять переважно до випромінювання мод з вищими граничними частотами і водночас створюють зв’язки між усіми направляючими модами.