Основные параметры световодов

Параметры световода зависят от рабочей частоты (длины волны), способа возбуждения источника света, моды. К первичным параметрам световодов, в первую очередь, относят их геометрические размеры и коэффициенты преломления n₁ и n₂ , относительную разность показателей преломления _п = (n₁ – n₂)/ n₁, тип волны или моды, показатель преломления профиля

,

где r – текущий радиус; – показатель степени, определяющий изменение ;

а – радиус сердечника. Например, при световоды называют параболи-ческими, т. к. профиль показателя преломления описывается параболой.

Для многомодовых световодов диаметр сердечника обычно составляет 50мкм, а диаметр оболочки 125мкм. Диаметр сердечника одномодового световода выбирается из условия обеспечения распространения только основной моды. Такое условие выполняется, если нормированная рабочая частота определяется соотношением

F_Н = dА/_Р.

Для ступенчатого волновода нормированная рабочая частота удовлетворяет неравенству F_Н < 2,405 , а для градиентного с параболическим изменением показателя преломления – F_Н < 3,53. Нормированный профиль показателя преломления градиентного световода составляет [9, 11]

где ;  – относительная диэлектрическая проницаемость.

К электрическим параметрам световодов, характеризующим передачу сигналов по ним, можно отнести критическую частоту и длину волны, ослабление, дисперсию сигнала.

Критическая длина основной волны определяется выражением [1]

Критическая частота определяется как

где с₀ – скорость света; v_ГР = с₀/n₁ – групповая скорость распространения волны в сердечнике волновода.

Критическая частота f_КР в волоконно-оптическом световоде показывает, что по световоду возможна передача волн длиной меньше _КР, т. е. такой световод ведет себя как фильтр.

Ослабление распространяющейся в световоде волны определяется потерями электромагнитной энергии. Существуют две главные причины потерь в световодах: поглощение и рассеяние энергии. Полный коэффициент ослабления, вносимый световодом, определяется выражением [44, 47]

 = _ПС + _ПР + _Р + _К + _ИК,

где _ПС – ослабление за счет собственного поглощения в сердечнике световода, дБ/км; _ПР – потери энергии за счет посторонних примесей, которые особенно проявляются в области резонансов собственных колебаний ионов примесей. В световодах из кварцевого стекла, легированных германием, фосфором или бором, потери составляют менее 1 дБ/км; _Р – потери в световоде от рассеяния световой энергии, что обусловлено неоднородностями материала световода, размеры которых меньше длины волны, а также тепловой флуктуацией показателя преломления сердечника n₁ (рэлеевское рассеяние), т. е. данные потери зависят от материала световода и рабочей длины волны _Р , дБ/км; _К – кабельные потери, возникающие из-за различных нарушений геометрии световода, наличия соединений, изгибов и микроизгибов; _ИК – ослабление, зависящее от длины волны оптического излучения и за счет поглощения в инфракрасной области возрастающий в показательной степени с увеличением длины волны.

Ослабление энергии в световоде за счет собственного поглощения в сердечнике связано с диэлектрическими потерями в материале, что определяется по формуле

где tg₁ – тангенс угла диэлектрических потерь в световоде,

tg₁  (0,5 – 1,0)·10^–10.

Практически для большинства световодов можно принять общие потери равными   2,5_ПС .

Важной характеристикой световода является дисперсия сигнала, которая влияет на ограничение полосы передаваемых частот по световоду и соответственно на минимальную длительность импульсных сигналов. Дисперсия сигнала проявляется в виде уширения импульсов в процессе прохождения их по световоду. Это представлено на рисунке 4.13.

Численно значение дисперсии сигнала можно определить как квадратичную разность длительностей импульсных сигналов на входе и выходе световода:

Значения длительностей импульсов берутся на уровне половины их амплитуды.

В волоконно-оптическом световоде существуют четыре вида дисперсии сигнала: волноводная (модовая), материальная, межмодовая и поляризационная модовая (PMD) [44]. Приведенные дисперсии проявляются по-разному в различных типах волоконных световодов.

Исследования показали, что в одномодовых световодах отсутствует межмодовая дисперсия и возможна взаимная компенсация волноводной и материальной дисперсий, так как фазовые искажения, приводящие к этим дисперсиям, примерно равны по величине, но противоположны по знаку. В многомодовых ступенчатых световодах преобладает межмодовая дисперсия, более чем на порядок превышающая другие виды дисперсий. Она достигает больших значений – 20–50 нс/км. В многомодовых градиентных световодах происходит выравнивание времени распространения различных мод и это определяется материальной дисперсией. При передаче информации с высокими скоростями (выше 10Гбит/сек) начинает заметно проявляться поляризационная модовая дисперсия. Источники проявления PMD и методы её измерения достаточно подробно описаны в [44].

Таким образом, общая дисперсия сигнала в световоде определяется выражением [9, 11, 44]

Если дисперсию рассматривать как расширение светового импульса в световоде, то световые импульсы при распространении расширяются на величину

где – длина световода; c₀ – скорость света;  – длина волны; n – профиль показателя преломления; – ширина спектра источника излучения.

Ширина дисперсии на уровне половинной мощности

где  коэффициент материальной дисперсии;  относительная ширина спектра частот.

Однородные свойства и профиль n(r) световода по всей длине технологически выполнить достаточно трудно, поэтому расчетные значения отличаются от реальных. Для практического расчета дисперсии сигнала _l в световоде любой длины можно применять соотношение

где ₀ – дисперсия сигнала в световоде длиной l₀. Она определяется паспортными данными завода изготовителя; – показатель зависимости дисперсии от длины волны. Значение для многомодового световода берется равным 0,5, для градиентного и одномодового – в пределах 0,5  1.