3.4 Передача сигналов по световодам

3.4.1 Принцип действия оптических передающих систем

Передача света по стеклянным волокнам хорошо известна и давно используется для различных целей. Но только появление в начале 70-х годов волокон с чрезвычайно малым затуханием света привело к бур­ному развитию оптических передающих систем, кото­рые резко изменили технику связи [5.2, 5.4, 5.8]. Оптическая передающая система состоит из трех основных элементов (рис. 6):

1. передатчика (лазера или светодиода, который преобразует электриче­ский ток в световое излучение);

2. диэлектрического световода (стеклянного волокна);

3. приемника (фотодиода), который вновь преобразует световой сигнал в электрический.

Передатчик и приемник служат здесь электрооптическим и оптоэлектрическим преобразователями. Таким образом, для передачи сигнала в световой форме необходимы два дополни­тельных устройства в отличие от передачи по коакси­альному кабелю. Поэтому возникает вопрос, обладают ли оптические передающие системы преимуще­ствами, которые компенсируют их сложность?

Оптические системы действительно обладают, по меньшей мере, одним очень важным свойством: они не приводят к связи по току и напряжению между передатчиком и приемником сигнала. Отпадают труд­ности, связанные с заземляющим контуром: передат­чик или приемник могут одновременно находиться под высоким потенциалом, а кабель со световодами нечувствителен к электромагнитным помехам. Другие преимущества и недостатки такого рода систем ста­нут очевидны, когда мы подробно рассмотрим их пе­редаточные характеристики.

3.4.2 Передаточные свойства световода

Оптический волновод состоит из диэлектрического волокна (сердцевины) с коэффициентом преломления n_K, который превышает коэффициент преломления n_M оболочки. Если световое излучение падает на вну­треннюю поверхность оболочки под углом , который больше угла полного внутреннего отражения _G:

_G = arcsin(n_K/n_M), (3.41)

то оно полностью отразится от оболочки и будет распространяться в стеклянном волокне, даже если волокно изогнуто. При этом угол падения света на входе в световод  не должен превышать значения _A. Зная это, можно получить из (3.41)

n₀sin_A=n_Kcos_G= =A_N. (3.42)

Величину A_N называют численной апертурой волок­на. Она определяет максимальный угол при вершине светового конуса, воспринимаемого световодом. Чис­ленная апертура характеризует коэффициент связи между источником света и световодом.

Лучи света, попавшие в световод под разными углами (от 0 до _A), распространяются по сердцевине волокна под различными углами к его оси. Поэтому они проходят по зигзагообразной траектории пути различной длины. Это в свою очередь приводит к раз­ным временам пробега вдоль световода и к уширению коротких световых импульсов во время их прохожде­ния по стеклянному волокну.

Более точное физическое описание передачи све­товых сигналов по световодам должно учитывать волновую природу света: световые волны могут интерферировать друг с другом в световоде.

Рис. 6. Принципиальная схема оптической пере­дающей системы.

В резуль­тате свет может распространяться по волокну только под некоторыми определенными углами к оси. При­нято говорить, что по световоду могут распростра­няться лишь некоторые моды. Допустимые моды можно получить, решая электромагнитные волновые уравнения:

E=(n²/c²)(²E/t²) и H=(n²/c²)(²H/t²) (3.43)

с учетом граничных условий для данного световода. Здесь n – локальный коэффициент преломления. Об­щее число N мод, которые могут распространяться в световоде со ступенчатым профилем (рис. 7), вообще говоря, очень велико, поскольку диаметр сердцевины световода и велик по сравнению с длиной волны света .

Рис. 7. Принципиальная схема световода со сту­пенчатым профилем.

Величина N приближенно получается [5.2] по формуле (3.44)

N=(²/2)(d/)²(n_K²-n_M²). (3.45)

Очевидно, что поскольку свет разных мод распро­страняется под разными углами к оси волокна, то у этих мод различна и скорость распространения вдоль световода. В этом случае говорят о дисперсии мод. Она тоже приводит к определенному уширению светового импульса, которое уменьшается в так на­зываемых одномодовых волокнах: в них диаметр сердечника выбран таким малым, что может распро­страняться только одна мода:

d<= 0.76/ (3.46)

К сожалению, малый диаметр волокон приводит к трудностям при соединении световодов с источником и приемником, а также друг с другом.

Рис. 8. Ход лучей и распределение коэффициента преломления в многомодовом оптическом волокне с градиентным профилем.

Пренебрежимо малой дисперсией мод при боль­шом диаметре сердцевины обладают так называемые волокна с градиентным профилем. Если коэффициент преломления изменяется в поперечном сечении во­локна по параболическому закону (рис. 8), то вре­мена пробега всех мод по такому волокну практиче­ски одинаковы, а пучки света распространяются не по зигзагообразной, а по гладкой траектории. В та­ких волокнах максимальное значение входного угла _A зависит от радиуса r, поскольку коэффициент пре­ломления непостоянен. Значение n максимально на оси волокна, а на границе между сердцевиной и обо­лочкой оно падает до нуля (см. (3.42)).

Уширение импульса наблюдается и в одномодовых волокнах из-за дисперсии, связанной со свойствами материалов. Коэффициент преломления n_к материала, из которого изготовлен световод, зависит от дли­ны волны, а поскольку источник, света, который под­соединен к световоду, немонохроматичен, то из-за различия n_K разность времен пробега возникает даже в одномодовом световоде. Особенно удобна область спектра вблизи 1,3 мкм, где дисперсия n_K кварцевого стекла минимальна, и можно без проблем использо­вать источники света с широкой спектральной эмис­сионной полосой. Точное положение минимума дис­персии n_K зависит от добавок, вводимых в стекло. В волокнах с градиентным профилем разброс времени пробега вызван остаточной дисперсией мод, а в одномодовых волокнах возникает дополнительный источ­ник дисперсии. Дополнительная дисперсия появляется из-за того, что фазовый коэффициент распростране­ния  для световода зависит от частоты. Эта зависи­мость определяется структурой световода. Такую дисперсию называют волновой. Ее, как и диспер­сию, определяемую свойствами материала, можно скомпенсировать, если правильно выбрать диаметр сердцевины волокна и разность коэффициентов пре­ломления (так называемая нулевая дисперсия) [5.4], поэтому компенсированные волноводы обладают очень широкой полосой пропускания. Так, например, в одномодовых волокнах длиной 1 км ширина откли­ка на единичную импульсную контрольную функцию может быть ниже 10 пс.

Все три дисперсионных эффекта, описанные выше, приводят к уширению единичного импульса, которое пропорционально пути L, проходимому светом в све­товоде. В реальных многомодовых волокнах отдель­ные моды взаимодействуют друг с другом. Это при­водит к тому, что, начиная с некоторой критической длины световода Lc, уширение возрастает не только пропорционально . Взаимодействие между модами приводит к тому, что независимо от распределения энергии по модам на входе волокна на его выходе (если длина превышает 1-е) энергия света распределена по всем допустимым модам, и описывается некоторым стационарным распределением мощности по модам.

Другим важным параметром световодов является затухание света. Оно характеризуется уменьшением мощности светового излучения Р. В многомодовых волокнах каждая мода имеет свой коэффициент зату­хания. Поэтому удобно описывать затухание с по­мощью упомянутого стационарного распределения света по модам. Мощность света в волокне экспонен­циально падает с увеличением длины L:

P(L)=P(0)e^-L (3.46)