Параметры оптических волокон

2.1.2. Основным первичным параметром волоконного световода (ВС) является профиль показателя преломления (ППП), то есть закон изменения коэффициента преломления от радиуса . На рис.2.1 показаны ППП и ход лучей дляступенчатого ВС (рис.2.1,а) и градиентного ВС (градан, селфок от английского self focus) (рис.2.1,б), где – диаметр сердцевины, – диаметр оболочки. Из хода лучей для двух частотных составляющих оптического сигнала видно, что в случае ступенчатой ВОЛС эти частотные составляющие приходят с разной задержкой во времени, что приводит к искажению выходного сигнала. Например, оптическийпрямоугольный импульс расплывается и становится гауссовым.

Это явление называется частотной дисперсией и является основной причиной ограничения полосы частот, передаваемой через ВОЛС. В случае градиентной ВОЛС разница в задержках и искажения импульсов будут значительно меньшими в результате того, что, хотя пути для разных

составляющих разные, в случае луч проходит большее расстояние в менее плотной среде. Для уменьшения дисперсии обычно используются так называемыеслабонаправляющие волокна с . При определенном законе ППП имеются точки фокусировки, и любой отрезок

градиентного волокна играет роль линзы, то есть происходит явление самофокусировки.

В зависимости от соотношения волокно может бытьмногомодовым (), в котором даже при однойбудет распространяться множество (несколько сот) типов волн (мод), иодномодовым (). В многомодовых ступенчатых волокнах преобладает межмодовая дисперсия, связанная с ходом лучей (рис.2.1,а), в многомодовых градиентных – материальная дисперсия, связанная с дисперсией материала волокна, а в ступенчатом одномодовом –хроматическая (материальная и внутримодовая) дисперсии, которые намного меньше межмодовой в многомодовых ВОЛС.

Полоса частот ВОЛС , определенная дисперсией, оценивается параметром, который называетсяинформационной емкостью ВОЛС.

где – длина ВОЛС. Для многомодовых волокон информационная емкость лежит в пределахМГцкм, а в одномодовых – до 1000ТГцּкм..

Рис.2.1. Типы ВОЛС и их ППП

Образно говоря, информацию, содержащуюся в 24–часовой телевизионной передаче, можно сжать и передать за .

2.1.3. Следующим параметром является числовая апертура – NA. Она определяется для ступенчатых и градиентных ВС разницей коэффициентов преломлений . На практике используютсяслабонаправляющие волокна с Δn<<n₁ (технологически получить Δn<0,002 затруднительно).

, (2.1)

где – критический угол полного внутреннего отражения, пересчитанный в воздух. Квадрат числовой апертуры показывает эффективность ввода света отдиффузного (ламбертовского) источника, имеющего диаграмму направленности интенсивности cos.При этом КПД ввода

,

где – световой поток, излученный диффузным источником;– световой поток, попадающий в волокно. Из (2.1) видно, что КПД ввода для градиентного ВС в два раза меньше, чем для ступенчатого.

2.1.4. Коэффициент ослабления учитывает все виды ослабления, показывает ослабление оптического сигнала по мощности (интенсивности) и входит в закон затухания, как , где [Нп/км] или определяется в дБ/км из выражения

При этом в отличие от СВЧ, .

В общем случае коэффициент ослабления выражается в виде суммы составляющих

(2.2)

где – ослабление, обусловленное потерями на торцах за счет несовпадения апертур излучателя и волокна, зазоров и перекосов на стыках, называемоеаппаратными (), и за счетфренелевских отражений от торцов (). Эти виды потерь могут быть сделаны пренебрежительно малыми при согласовании апертур и применении просветляющих покрытий.

К соединительным устройствам (оптическим разъемам и сварным стыкам) предъявляются высокие требования: зазор (12)мкм, перекос(46) – при этом потери составляют (0,21)дБ. При отклонении от этих требований потери увеличиваются в 7-20 раз. Наиболее жесткие требования предъявляются к соединительным устройствам одномодовых ВОЛС.

Второе слагаемое в (2.2) учитывает ослабление в самой линии – ,

(2.3)

где – ослабление, обусловленное тепловыми потерями в самом волокне, в основном, за счет примесей

(2.4)

где – угол потерь в сердцевине (размерности в СИ)). Более сложные фор-мулы учитывают и потери в оболочке, так как часть энергии все же попадает в оболочку, особенно, в одномодовых ВОЛС (зависит от ширины полосы поглощения в запрещенной зоне);

(2.5)

ослабление за счет флуктуации и дефектов в волокне (релеевские потери); – эмпирический коэффициент, зависящий от материала, лежащий в пределах 0,71,5 (для SiO₂ K_p=0,8 , а для стекла К_р=1,5).

Рис. 2.2. Коэффициент ослабления в ВС

–ослабление за счет потерь излучения на изгибах волокна, когда нарушается явление полного отражения. Во избежание этих потерь необходимо, чтобы выполнялись условия: радиус изгиба волокна ,(– критический радиус изгиба).

Суммарное ослабление для разных типов волокон на основе кварцевого стекла (SiO₂) лежит в пределах от долей дБ/км до единиц дБ/км. Для полимерных волокон = (10÷1000)дБ/км.

Формулы (2.4) и (2.5) носят приближенный характер и показывают лишь общую тенденцию зависимостей. Экспериментальные зависимости

имеют осциллирующий характер с минимумами поглощения в окнах прозрачности (ОП) кварцевого стекла:

3ОП–-λ=(1,530÷1,565) 4ОП–-λ=(1,565÷1,625). Минимальное поглощение наблюдается в 3ОП при. Максимум поглощения из-за примесей, особенно гидроксильной группыОН, на . В последнее время разработаны ВС с устраненным пиком поглощенияОН и введено 5ОП - . Припреобладает, т.е. тепловые потери.