Волоконные световоды

Волоконный световод представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала радиусом R и показателями преломления внутри которого расположена сердцевина с радиусомr и показателем преломления .

Разработаны различные типы световодов: линзовые, зеркальные, полые трубы и т. п.

Наибольшее распространение получили гибкие диэлектрические световоды с низкими оптическими потерями. Угол вхождения луча

, где

Свет распространяется по световоду по зигзагообразной траектории.

Число мод N, которое может передать по световоду, в первом приближении определяется из соотношения .

Материалом для оптических световодов обычно служит кварцевое стекло. Различные показатели преломления достигаются путем легирования стекла фтором, германием, фосфором и др.

Для чисто кварцевого стекла полоса пропускания световодов имеет максимальное значение на длине λ=1,3 мкм и составляет Гц·км.

Потери при передаче информации по световодному волокну незначительны и составляют доли Дб/км в области λ=1…1,5 мкм. В мировой практике используются волоконные линии дальней связи со скоростью передачи сигналов более 10 Гбит/с.

ВОЛС имеет две разновидности цилиндрических волоконных световодов: двухслойные ступенчатые (рассмотрены выше) и градиентные (селфок).

В градиентном световоде рефракция приводит к самофокусировке отдельных лучей на осевой линии, при этом их траектории представляют собой синусоиды.

Выделяют три составляющие дисперсии в ВОЛС: межмодовая (или волноводная), обусловленная различием групповых скоростей различных мод; внутримодовая, обусловленная нелинейной зависимостью постоянной распределения данной моды от λ; материальная (дисперсия материала), выражающая в зависимости показателя преломления среды от λ.

Любой из видов дисперсии тем существеннее, чем протяженнее волновод. Дисперсия проявляется в завале частотной характеристики световода (зависимость интенсивности излучения на выходе от частоты модуляции) и в искажении передаваемых импульсов света (расплывание, уширение).

Для характеристики инерционности используют временные параметры, приведенные к длине световода:

- полоса пропускания , МГц·км; - постоянная дисперсии, нс/км; уширение импульса, нс/км. Связь между этими параметрами:;.

Угловая апертура при изгибе световода уменьшается.

Уширение импульса для ступенчатого двухслойного волновода. Для градиентных волноводов величиназависит от конкретного вида функцииn=f(r).

В многомодовых световодах эффекты внутримодовой дисперсии оказываются пренебрежительно малыми, поэтому их обычно не учитывают.

Причинами потерь оптической мощности при распространении сигнала по волокну являются различные виды поглощения, количественная оценка которых рассчитывается по следующей формуле , (дБ/км)

L – длина световода, км.

Рассмотрим наиболее существенные виды потерь в ВОЛС

1. Два вида фундаментальных потерь.

а) Собственное поглощение в материале световода (), которое в ультрафиолетовой области связано с электрон переходами между разрешенными энергетическими уровнями атомов, а в инфракрасной области – с многофотонным и колебательным возбуждением молекул.

б) Релеевское рассеяние на различных видах нерегулярностях.

2) Примесное поглощение, обусловленное наличием примесей (центры окраски, в виде включений ионов металлов). Значительные потери происходят за счет гидроксильной группы ОН, но спектр этого поглощения имеет характер узких отдельных полос.

3) Технологические разбросы (эллиптичность сердцевины, статистические флуктуации её диаметра, нарушение закона распределения показателя преломления по сечению сердцевины и прочее).

4) Явления, связанные с дефектами эксплуатации, проявляющимися уже после изготовления волокна.

5) Потери, обусловленные воздействием проникающей радиации и принципиально необратимые и неустранимые.