2.3. Особенности распространения оптического излучения в световодах

Для передачи электромагнитного излучения оптического диапазона в заданную область пространства, в основном, используют диэлектрические волноводы в виде круглых, прямоугольных и тонкопленочных структур. Их иногда называют световодами. Диэлектрические волноводы, длина которых много больше их поперечного сечения, обычно с круглым, а иногда и с прямоугольным поперечным сечением (пленки), называют волоконными световодами или оптическими волокнами. Оптические волокна с оболочкой из кварцевого стекла и сердцевиной из кварцевого стекла, легированного германием, являются в настоящее время основным видом направляющих трактов, используемых для передачи оптических сигналов на большие и малые расстояния. Используются однослойные, двухслойные, трехслойные и многослойные световоды, со ступенчатым или градиентным профилем показателя преломления сердцевины. В настоящее время наиболее распространенными являются двухслойные волоконные световоды со ступенчатым профилем показателя преломления и градиентные световоды с параболическим профилем показателя преломления.

Конструкция двухслойного волоконного световода, состоящего из сердцевины (центральной жилы) и оболочки представлена на рис. 2.4.

Оболочка волоконного световода выполнена из кварцевого стекла, имеющего показатель преломления n₀=1,451. Центральная часть, световодная сердцевина, выполнена из кварцевого стекла, легированного окисью германия, и имеет показатель преломления n_с=1,465.

Рис. 2.4. Продольный разрез двухслойного волоконного

световода и схема распространения светового луча

в сердцевине световода

При прохождении луча света из одной среды в другую на границе раздела сред происходит отражение и преломление света. При этом согласно закону Снеллиуса справедливо соотношение

, (2.8)

где - угол падения луча из сердцевины на оболочку, а - угол преломления в оболочке.

При некотором критическом значении , угол и . Угол называется критическим углом внутреннего отражения. Если угол падения из сердцевины , происходит полное внутреннее отражение от границы сердцевины с оболочкой.

Распространение света в трехслойной среде подробно рассмотрено в работе [14]. Согласно этой работе при полном внутреннем отражении поле направляемой волны сосредоточено, в основном, в области сердцевины волокна. Некоторая часть поля все же проникает в оболочку, но оно спадает почти экспоненциально в радиальном направлении от границы сердцевины. Величина этого поля на наружной поверхности волокна может быть сделана сколь угодно малой.

Числовая апертура оптического волокна NA = sin (в этом случае угол отсчитывается от оси волокна) при данном n_с определяет максимальный телесный угол конуса лучей, пропускаемых волокном. При превышении этого угла в оптическом волокне с оболочкой не происходит полного внутреннего отражения луча на границе сердцевина - оболочка. Он будет преломляться и распространяться в оболочке, т. е. оптическая изоляция сердцевины будет нарушена.

Для двухслойного волокна числовая апертура волоконного световода, определяющая угол расходимости света из волокна , определяется по формуле:

, (2.9)

где n = (n_c + n_o)/2; n = n_c - n_o . Из этой формулы следует, что чем больше разность между n_с и n_о, тем больше числовая апертура, и конический пучок лучей с большим телесным углом пройдет в оболочку.

Примеры:

– волоконный световод из кварцевого стекла:

n_о=1,451 , n_с=1,465; n = 0,014; NA=0,2;  =11,5

– волоконный световод из оптического стекла:

сердцевина–стекло Ф6 с показателем преломления n=1,603, оболочка–стекло К8 с показателем преломления n=1,516; NA=0,521;  =31.

Одной из важнейших характеристик волоконного световода является коэффициент оптического пропускания = Р/Р₀ , где Р и Р_о мощности прошедшего и падающего световых потоков. Однако, для оценки потерь в оптических волокнах обычно используют коэффициент затухания ..

Коэффициент затухания–величина, характеризующая уменьшение мощности оптического излучения при его прохождении по оптическому волокну, выраженная в дБ и, отнесенная к длине оптического волокна.

Коэффициент затухания обычно определяется путем измерения значений мощности излучения P₁ и P₂  на его выходе при исходной длине образца L₁ и после укорочения волновода до длины L₂ ,соответственно, с последующим вычислением по формуле:

. (2.10)

В настоящее время основным материалом, используемым для изготовления волоконных световодов, является кварцевое стекло.

Потери в световодах имеют различные причины, и к ним относятся следующие:

Потери из-за собственного поглощения (коэффициент поглощения _сп). Механизм этих потерь связан с поведением диэлектрика с идеальной структурой в электромагнитном поле. В случае двуокиси кремния SiO₂ существуют резонансы в УФ-области спектра (λ<0,4 мкм), связанные с электронными структурами атомов и резонансы в ИК-области (λ>7 мкм), обусловленные колебаниями самих атомов в решетке. Поскольку двуокись кремния аморфна, то эти резонансы существуют в виде полос поглощения, хвосты которых простираются в область видимого спектра.

Для кварцевого стекла существуют окна прозрачности (рис.2.5), которые являются рабочими диапазонами длин волн для оптических систем передачи информации:

–0,820900 мкм - 1-е окно,

–1,2801350 мкм - 2-е окно,

–1,5281561 мкм - 3-е окно.

В современных качественных оптических волокнах в 1-м окне прозрачности собственные потери составляют 2,3…2,5 дБ/км (за счет релеевского рассеяния). Во 2-м окне прозрачности потери составляют 0,5…0,6 дБ/км. В 3-м окне прозрачности потери составляют 0,18…0,25 дБ/км.

Рис.2.5. Окна прозрачности световодов из кварцевого стекла

Потери из-за поглощения, вызванного наличием примеси, с коэффициентом поглощения _пр обусловлено главным образом наличием ионов металлов переходной группы: железа, меди, никеля, магния, хрома. В современном производстве оптоволокон содержимое этих металлов было снижено до величин менее одной миллиардной части, поэтому они дают очень малый вклад в потери. Более существенные потери вызывает вода, присутствующая в виде ионов ОН. Ей соответствуют полосы поглощения вблизи 1390 нм, 1240 нм и 950 нм. Даже такая малая концентрация ОН как одна миллионная часть, способна вызвать потери 50 дБ/км в районе «водяного пика» 1390 нм.

Потери из-за рассеяния излучения, с коэффициентом поглощения _Р .

Существует ряд механизмов рассеяния, которые вызывают потери (мы о них говорили выше) : рэлеевское рассеяние, так называемое Ми-рассеяние, вынужденное комбинационное рассеяние, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

Рэлеевское рассеяние обусловлено тепловыми флуктуациями на интервалах меньших длины волны. Ми-рассеяние происходит на неоднородностях сравнимых по размеру с длиной волны. Вынужденное комбинационное рассеяние и рассеяние Мандельштама–Бриллюэна связаны с нелинейными эффектами. Их влияние сказывается, начиная с некоторого порогового значения мощности излучения, при котором нелинейное взаимодействие между распространяющейся волной и материалом приводит к перекачке мощности первоначальной волны в излучения с другими длинами волн. При передаче сигналов на большие расстояния эти нелинейные эффекты определяют верхний предел уровня мощности, которая может быть передана по каналу связи. Коэффициент поглощения определяется формулой

_Р =К_Р /λ⁴ , (2.11)

где К_Р – коэффициент рассеяния, который для кварца равен

0,8 мкм⁴ ∙дБ/км, [13].

Дополнительные потери за счет несовершенства оптического волокна, помещенного в кабель (коэффициент поглощения _к)_..

Эти потери возникают за счет скрутки, деформации, микроизгибов при изготовлении оптического кабеля. Обычно их называют кабельными.

Существуют еще потери _отр за счет неполноты отражения от боковых направляющих поверхностей волокна при распространении излучения (неполного внутреннего отражения). Они зависят от качества поверхности раздела сердцевины и оболочки. Эти потери могут быть весомыми при большой длине оптического волокна и соответственно большом числе отражений.

Таким образом, общий коэффициент затухания на больших дистанциях будет определяться суммой значений рассмотренных потерь

 = _сп + _пр + _Р + _к +_отр. (2.12)

Конический пучок лучей, падающий на входной торец волокна, дифрагирует на нем и возбуждает внутри сердцевины и в оболочке дискретный набор отдельных типов волн. Чем меньше размеры d по сравнению с , тем меньшее число типов волн может распространяться в волокне. Таким образом, волокна могут быть одномодовыми (d ) и многомодовыми (d) (см. ниже).

Одним из важнейших обобщающих параметров, используемых для оценки свойств оптических волокон (волоконных световодов) является нормированная частота , определяемая по формуле:

, (2.13)

где R_c ¬ радиус сердцевины волокна, λ ¬ длина волны, ¬ числовая апертура.

Число мод при >>1 оценивается по формулам для ступенчатого волокна; для градиентного волокна.

При <2,405 в волоконном световоде распространяется только одна, основная мода типа НЕ₁₁ , т.е. будет реализован одномодовый режим. Благодаря этому устраняется модовая дисперсия и такое волокно обладает наиболее высокой информационно-пропускной способностью.

В заключение этого раздела следует отметить, что оптические волокна являются наиболее важным пассивным элементом многих современных оптоэлектронных устройств и систем. На основе оптических волокон создают разветвители, поляризаторы, мультиплексоры и демультиплексоры, являющиеся составными частями оптоэлектронных устройств и систем. Оптические волокна используют также, как сенсорные элементы волоконно-оптические датчиков.