Передаточные свойства световода

Принцип действия оптических передающих систем

Передача сигналов по световодам

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.

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 g, который больше угла полного внутреннего отражения g_G:

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 q не должен превышать значения q_A. Зная это, можно получить из (3.41)

n₀sinq_A=n_Kcosg_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 q_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:

DE=(n²/c²)(¶²E/¶t²) и DH=(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 l.

Рис. 7. Принципиальная схема световода со сту­пенчатым профилем.

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

N=(p²/2)(d/l)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<= 0.76l/ (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 q_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 b 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^-aL (3.46)

Удобно, однако, пользоваться этой формулой в виде:

P(L)=P(0)10^-a’L/10 (3.47)

На практике коэффициент затухания обычно изме­ряют в дБ/м (децибел/метр):

a’=дБ/м (3.48)

(В волокне с затуханием a'L = 3 дБ теряется 50 % мощности излучения.)

Затухание излучения вызвано тремя основными причинами [5.4]:

а) поглощением;

б) рассеянием в материале;

в) потерями излучения.

Потери на поглощение возникают за счет возбу­ждения электронов в примесях и молекулярных коле­баний ионов ОН-, которые пока не удается пол­ностью устранить при изготовлении волокон. Потери на рассеяние в принципе неизбежны. Основной вклад в эти потери вносит рэлеевское рассеяние на флук­туациях плотности материала волокон, размер кото­рых мал по сравнению с длиной волны. Эти потери уменьшаются пропорционально 1/l⁴ и определяют минимально возможный уровень потерь в стекле. Поте­ри на излучение возникают на неоднородностях в волноводе, а также на изгибах и микротрещинах.

На рис. 9 показана зависимость затухания све­та в слаболегированном кварцевом волокне от длины волны l. Штриховая линия схематически показывает спектральную зависимость потерь на рэлеевское рас­сеяние. Хорошо видно, что область длин волн вблизи 1,37 мкм не подходит для передачи оптических сигна­лов из-за сильного поглощения на ОН-. Вблизи 1,3 мкм дисперсия, вызванная свойствами материала, достигает минимума при небольшом ослаблении сиг­нала. И потому эта область особенно удобна для пе­редачи оптических сигналов. Наиболее низкие коэф­фициенты ослабления наблюдаются вблизи 1,55 мкм: около a'» 0,2 дБ/км. Однако применяемые сегодня источники и приемники света работают в основном в интервале длин волн от 0,75 до 0,9 мкм.

Передаточные характеристики световода можно охарактеризовать с помощью весовой функции (функции отклика на единичный импульс) или с помощью комплексной частотной характеристики.

Рис. 9. Зависимость коэффициента ослабления слаболегированного кварцевого волокна от длины волны света. В заштрихованной области спектра дис­персия, связанная со свойствами материала, мини­мальна.

В первом случае по волокну пропускают короткий лазерный импульс (продолжительностью менее 0,1 нс) и опре­деляют функцию отклика на другом конце волокна. Затем определяют функцию Н(s), а с помощью обратного преобразования Лапла­са – отклик на единичную импульсную функцию g_a(t). При этом следует учитывать, что распределение мощности по модам в световоде должно быть как можно ближе к стационарному.

Для прямого измерения комплексной частотной ха­рактеристики Н(w) (см. разд. 5.2.2.2) световое излуче­ние передатчика модулируется синусоидальным сигналом определенной частоты. При этом частота мо­дуляции меняется от наименьшего до наибольшего значения в интересующем нас интервале. Опыты та­кого рода показали, что комплексная частотная ха­рактеристика большинства световодов близка к харак­теристике гауссова фильтра нижних частот. Гранич­ная частота соответствует уменьшению H(w) вдвое [H(w) =(1/2) H(0)]. Область частот от 0 до w_g на­зывают полосой пропускания оптического волокна.

Дата добавления: 2014-01-06