Лекция № 25. Волоконно – оптические линии связи.

Принцип действия волоконных световодов. Изоб­ретение в 1959... 1961 гг. когерентных лазерных источников света положило начало разработкам оптических линий связи, где пе­реносчиком сообщений являются световые волны. Однако ха­рактеристики атмосферы, которая сначала использо­валась в качестве среды распространения, оказались неподходя­щими для высоконадежных систем связи из-за большого ослаб­ления в дождь, туман, снегопад и т. д. Было предложено для све­товых волн 15-го диапазона с частотами 10¹⁴... 10¹⁵ Гц (диапазон длин волн 0,5... 10,6 мкм) создавать специальные направляющие системы — световоды. Наиболее перспективными из них оказа­лись диэлектрические волноводы, или волокна, как их называют из-за малых поперечных сечений.

Простейший световод представляет собой тонкое волокно ци­линдрической формы, которое состоит из сердечника, оболочки и внешнего покрытия. По сердечнику передается электромагнитная энергия в виде световой волны, поэтому его изготавливают из материала с наименьшими оптическими поте­рями (кварц, многокомпонентные стекла). Оболочка предназначе­на для создания лучших условий отражения на границе сердечник — оболочка и уменьшения из­лучения энергии в окружающее пространство. В оболочке можно допустить большие потери, поэтому ее изготавливают из стекла или из пластика. Для защиты от внешних воздействий (световых, механических) на оболочку световода наносится полимерное пок­рытие. Поперечное сечение волокна и распределение показателя преломления показаны на рисунке.

Поперечные сечения и распределения показателей преломления

волоконных световодов:

а – двухслойный световод; б – градиентный световод

В зависимости от характера изменения различают два типа световодов: ступенчатые и градиентные. Ступенчатые световоды (рис. а) имеют постоянное по радиусу значение показателя преломления, ступенька изменения наблюдается на границе сер­дечник— оболочка. В градиентном световоде (рис. б) пока­затель преломления плавно изменяется от центра к краю сердеч­ника. Распространение лучей в этих двух типах световодов раз­личное. Рассмотрим этот процесс более подробно.

Пусть в центр торца ступенчатого световода падает луч под некоторым углом к его оси. По законам геометри­ческой оптики на границе сердечник — оболочка будут падающий луч с углом отраженный с углом и преломлен­ный с углом. Преломленный луч в свою очередь претерпевает такое же отражение в точке В на границе оболочка — покрытие. Следовательно, в световоде могут существовать три вида лучей (волн): сердечника 1, оболочки 2, излучения 3. Для эффективного распространения и предотвращения перехода энергии в оболочку.

Ход лучей в ступенчатом световоде.

Режим полного внутреннего отражения соблюдается, если на входной торец световода подавать световой луч в пределах телес­ного угла Оа- Этот телесный угол 6а между оптической осью све­товода и одной из образующих светового конуса, в пределах ко­торого соблюдается полное внутреннее отражение луча, называ­ется апертурой. Для характеристики световода обычно пользу­ются числовой апертурой

От значения числовой апертуры зависят эффективность ввода из­лучения в световод, потери на микроизгибах и другие параметры световода.

В градиентном световоде лучи не отражаются, как в случае световода со ступенчатым профилем, а изгибаются в направлении градиента показателя преломления. Вследствие этого лучи, находящиеся внутри апертурного угла, распространяются в сердечнике по волнообразным траекториям. При угле входа с тор­ца в сердечник больше апертурного будут су­ществовать также лучи оболочки 2 и излучения 3. Характерной особенностью градиентных световодов являются меньшие искаже­ния передаваемых сигналов.

Типы волн (моды) в световоде. Рассматривая све­товод как диэлектрический волновод и учитывая волновые свой­ства света, было установлено, что из всей совокупности световых лучей в пределах апертурного угла для заданного световода толь­ко ограниченное число лучей с дискретными углами может обра­зовывать направляемые волны определенного типа, которые на­зывают также волноводными модами. Физически это явление мож­но объяснить интерференцией волн с различными путями про хождения. Существующие в световоде моды характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений на границе сер­дечник — оболочка лучи приходят в фазе и складываются ариф­метически. Для других углов фазовые условия не выполняются, поэтому волны интерферируют так, что гасят друг друга.

Ход лучей в градиентном световоде:

1 — волна сердечника; 3 — волна оболочки; 3 — волна излучения.

В световоде круглого сечения, как в круглом диэлектрическом волноводе, могут существовать смешанные волны типа НЕ или ЕН. Основная из них НЕ. Каждая мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и группо­вой скоростями.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей час­тоте волн (мод) световоды разделяют на одномодовые и много-модовые. Число мод зависит от соотношения между диаметром сердечника а и длиной рабочей волны. Одномодовые световоды имеют электрические характеристики лучше многомодовых. Однако из-за малого диаметра сердечника волокна менее надежны и имеют большие потери при вводе луча в световод. Число мод в градиентном световоде при­мерно в 2 раза меньше, чем в двухслойном ступенчатом тех же геометрических размеров и с теми же значениями. Луч­шими являются и электрические характеристики градиентных световодов.