20. . Принцип действия волоконных световодов

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому осуществляется передача волн микронных длин, что соответствует диапазону частот 10¹⁴ - 10¹⁵ Гц. Волоконный световод, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердечника и оболочки с разными оптическими характеристиками (п₁ и п₂).

Наиболее широкое применение : лучили волоконные световоды двух типов: ступенчатые и градиентные. У ступенчатых световодов показатель преломления в сердечнике постоянен и имеется резкий переход от п₁ сердечника к п₂ оболочки. Градиентные волокна имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердечнике по радиусу световода от центра к периферии.

В свою очередь ступенчатые световоды подразделяются на одномодовые и многомодовые. В одномодовых световодах диаметр сердечника соиз­мерим с длиной волны (d^λ) и по не­му передается лишь один тип волны (мода). В многомодовых световодах диаметр сердечника больше длины волны (d> λ) и по нему распространяется большое число волн. Практически сердечник световодов составляет —8 мкм у одномодовых и 50 мкм — многомодовых световодов. Диаметр оболочки 125 мкм. Снаружи располагается покрытие диаметром 600 мкм. Таким образом, существующие в настоящее время волоконные световоды южно классифицировать на три типа: одномодовые, многомодовые и градиентные (рис. 4.32).

Как видно из рисунка, ход лучей различных световодах различен. В ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердечник — оболочка. Причем пути следования различных лучей

различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом по времени. Это приводит к искажению передава­емого сигнала (дисперсии).

Градиентные световоды также явля­ются многомодовыми. Но здесь лучи распространяются по волнообразным траекториям. Причем лучи, находя­щиеся близко от оси световода, про­ходят меньший путь, но в области с большим показателем преломления, а периферийные лучи имеют большой путь, но в среде с меньшим показате­лем преломления. В результате ско­рость распространения различных лу­чей выравнивается и они приходят к концу линии практически в одно вре­мя. Вследствие этого искажения пере­даваемого сигнала в градиентных све­товодах меньше, чем в ступенчатых.

Сердечник служит для передачи электромагнитной энергии. Назначе­ние оболочки — создание лучших усло­вий отражения на границе сердеч­ник— оболочка и защита от излуче­ния энергии в окружающее простран­ство.

Таким образом, в световоде могут распространяться лишь волны длиной, меньшей чем диаметр сердечника све­товода (λ <d).

Однако в световоде, учитывая, что границей раздела сред сердечник — оболочка является прозрачное стекло, возможно не только отражение опти­ческого луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения пе­рехода энергии в оболочку и излуче­ния в окружающее пространство не­обходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения. Апертура — это угол между оптической осью и одн из образующих светового конуса, г падающего в торец волоконного cветовода, при котором выполняет условие полного внутреннего отражения.

Обычно пользуются понятием угловой апертуры

Критическая частота и критическая длина волны.

Анализируя полученные соотноше­ния, можно отметить, что чем больше диаметр сердечника волоконного све­товода d и чем больше отличаются показатели преломления сердечника п₁ и оболочки п₂, тем больше крити­ческая длина волны и соответственно ниже критическая частота. Изложенное дает основание сделать вывод, что при частотах выше критической /₀ вся энергия поля концентрируется внутри сердечника световода и эффективно распространяется вдоль него. Ниже критической частоты энергия рассеи­вается в окружающем пространстве и не передается по световоду.

Особенности различных направляю­щих систем связаны с частотными ограничениями при передаче энергии по различным системам (рис. 4.37). Принципиально различен частотный диапазон передачи по волноводам и двухпроводным системам. Волноводные системы имеют частоту отсечки — (критическую) fо, ведут себя как фильтры ВЧ и по ним возможна лишь передача волн длиной меньше, чем λ_о. Двухпроводные системы свободны от этих ограничений и способны переда­вать весь диапазон этих частот от ну­ля и выше, правда, потери и затухание в них больше.

21. Затухание и дисперсия.

коэф-т затухания;

диперсия;

Затух-е оптич-х волокон с увеличением ч-ты передаваемого си-ла увел-ся.Затух-е опт-х волокон состоит из затухания на поглощении и затухания на рассеивании. Зат-е на поглощение опред-ся прозрачн-ю волокон и наличием примесей (гидроксильные, металлы 1-й группы Менделеева и т. д.). Атомы примесей имеют собственную ч-ту колебаний и если ч-та перед-х сиг-в совпадает с ч-той колебания атомов, то вэтом случае наступает резонанс и затух-е увелич-ся.В связи с этим затух-е волокон изм-ся волнообразно.

Затух-е на рассеивание распред-ся неоднород-ю волокон, наличием микротрещин волокна, неоднородностями на стыках. В связи с этим луч света отраж-ся, что приводит с 1- й стороны к увеличению затухания, а с 2-й появл-ся вытекающие волны, кот-е приводят к взаимному влиянию волокон.

В обычных кварцевых волокнах сущ-т 3 участка на оси ч-т, затух-е на кот-х явл-ся миним-м, эти участки соответ-т длинам волн 0,85; 1,3; 1,55 мкм, и наз-ся окнами прозрачности. Чем больше длина волны,тем ч-та будет меньше и затух-е тоже.Дисперсия – уширение импульса при передачи по волокну(рис2).Чтобы ликвидировать этот нед-к надо: уменьшить скорости передачи и длины РУ.Межмодовая дисперсия - чем больше расстояние, кот-е проходит сигнал, тем Разные лучи проходят разное расстояние с одинаковой скоростью.Еще есть храмотическая дисперсия, кот-я состоит из материальной (обусловлена неоднородностями в самом материале) и волноводная(длина волн зависит от частоты).Градиентное волокно. Коэффициент преломления сердечника непостоянен(рис4).

Волны распростр-ся в разных средах. Волна (ближайшая к центру) прох-т меньший путь, но в более плотной среде. Волна (более отдаленная) проходит больший путь, но в менее плотной среде. Здесь скорость распр-я больше, чем в 1-й среде. В рез-те время распр-я этих волн оказ-ся одинак-м. В таких волокнах дисперсия меньше, что позволяет вести лучшую передачу и на большее расстояние. Межмодовая дисперсия в одномодовых волокнах отсут-т, есть только храмотиче-я, но она не имеет большого влияния. ПП в этих волокнах измер-ся в Ггц, позволяет волокну осуществить быструю передачу. Проще изготовить многомодовое волокно. СЛ ГТС – ступеньчатые многомодовые.

Магистральная – одномодовые волокна.

Учитывая, что электри-е парам-ры градиентных волокон выше многомодовых ступенчатых, а сложность изготовления мало отлич-ся, то сущ-т отказ от ступенч-х многомодовых волокон.Основные типы волокон в настоящее время: - 1многомодовые градиентные- 2одномодовые ступенчатые.