Будова світловодів та фізичні принципи їх роботи

Розділ 5. Вимірювання параметрів і характеристик волоконних світловодів

Оптичне волокно – світловод (СВ) - складається зі світловедучої серцевини, оточеної оболонкою. Обидва елементи виробляються з високочистого кварцового скла. Для одержання необхідного розподілу коефіцієнта заломлення серцевина легується в процесі виробництва (зазвичай германієм). Отримане в процесі витяжки оптичне волокно потім покривається одним або двома шарами захисного пластикового покриття, розповсюдженим матеріалом для якого є акрилат. Від покриття залежить міцність волокна. В основі поширення світла по сердечнику лежить принцип повного внутрішнього відбивання, що реалізується за рахунок того, що коефіцієнт заломлення серцевини вище коефіцієнта заломлення оболонки.

Оптичне волокно є середовищем передачі інформації в оптичних системах зв'язку. Перше оптичне волокно з втратами 20 дБ/км (на довжині хвилі 0.633 мкм) було виготовлено фірмою Corning Glass Works у 1970 р. Однак прогрес у цій області був настільки стрімкий, що вже в 1972 р. втрати в СВ досягли 4 дБ/км, а сучасні волокна мають втрати менш 0.2 дБ/км (на довжині хвилі 1.55 мкм). Причому настільки малі втрати сигналу зберігаються в дуже широкому діапазоні частот модуляції світла і зменшення амплітуди сигналу з ростом частоти модуляції обумовлено дисперсією, що для сучасних волокон зі зміщеною дисперсією складає величину порядку 3 пс/нм·км. Таким чином, смуга пропускання власне волокна може перевищувати 100 Ггц·км. Споконвічно волокно, одержуване в процесі виготовлення, було винятково тендітним. Для його функціонування в якості надійного високоякісного компонента системи, волокно не повинне мати вад і повинно бути захищеним від механічного впливу. Перед ведучими вченими усього світу протягом багатьох років стояла, у якості основної, складна задача розвитку технології виробництва для досягнення високої механічної міцності, надійності і високоякісних передатних характеристик оптичних волокон. Ці задачі в даний час успішно вирішені. Сучасне волокно може бути зав'язане у вузол діаметром 5 мм і при цьому не руйнується. Технічні ж характеристики сучасних волокон у плані передачі інформації настільки високі, що вони знаходяться поза конкуренцією з іншими середовищами передачі даних.

В даний час застосовуються як багатомодові, так і одномодові оптичні волокна (ОВ). Історично, першими знайшли практичне застосування багатомодові ОВ (БОВ). Це було зв'язано з труднощами по створенню високоточних технологій виробництва одномодових ОВ, а також, не в меншій мірі, із проблемами по виробництву устаткування, необхідного для створення на основі одномодових ОВ ліній зв'язку. У зв'язку з цим, перші 10-15 років розвитку волоконної оптики практично використовувалися тільки багатомодові світловоди, і великі зусилля були прикладені для розвитку багатомодової технології і поліпшення експлуатаційних характеристик БОВ. В даний час такі світловоди застосовуються виключно у внутріоб'єктових і міжапаратурних системах зв'язку. У сучасних системах далекого зв'язку застосовуються винятково одномодові світловоди. Варто мати на увазі, що параметри і характеристики в технічних умовах (ТУ) на виробництво ОВ установлюються виходячи з типу і призначення світловода, а також відповідно до діючих стандартів і рекомендацій сектора стандартизації електрозв'язку Міжнародного союзу електрозв'язку (ITU-T). Стандарти регулярно коректуються, однак не встигають за динамікою розвитку техніки. У зв'язку з цим реальні характеристики світловодів, що випускаються, у ряді випадків істотно перевершують стандартизовані параметри.

Структура СВ може бути ступінчатою або градієнтною (рис.5.1).

а

б

Рис.5.1. Структура оптичного волокна з ступінчатим (а) та градієнтним (б) профілями. 1 – сердечник, 2 – оболонка, 3 – захисна оболонка.

Показник заломлення серцевини повинен бути більше показника заломлення оболонки.

В градієнтних СВ профіль показника заломлення близький до параболічного

, (5.1)

де – радіус серцевини, r – біжуча координата, .

В реальних градієнтних світловодах профіль має провал по центру, так як через технологічні причини циліндричні заготовки мають в центральній частині стержень із скла з меншим (рис.5.2).

Рис.5.2.

Ззовні СВ покривають захисною полімерною оболонкою, яка окрім захисних функцій може мати функції поглинача мод вищих порядків.

Промені, які розповсюджуються під кутами мають повне внутрішнє відбивання. Значення граничного кута визначає співвідношення

. (5.2)

Кожному куту відповідає певний кут падіння (рис.5.1). Максимальний кут - , який ще забезпечує називають вхідним кутом СВ. Частіше його характеризують числовою апертурою - NA

, (5.3)

де – показник заломлення оточуючого середовища.

Для ступінчатого: (5.4)

Для градієнтного: (5.5)

Ступінчаті світловоди мають , а найкращі – 0,4¸0,5. Градієнтні мають .

Від значення залежать:

- ефективність вводу випромінювання в СВ;

- втрати на мікровигинах волокна;

- число (кількість) мод, що збуджуються у волокні;

- дисперсія імпульсів.

Строгий розрахунок розповсюдження випромінювання по СВ здійснюють за допомогою математичного апарату хвильової оптики та рівнянь Максвелла.

Доведено, що по одному СВ одночасно може розповсюджуватися кінцева кількість хвиль, кожну з яких називають модою. В хвильовому фронті кожної моди коливання розповсюджуються із загальною фазою.

Моди, які розповсюджуються під малими кутами відносно вісі СВ, називають модами низьких порядків, а під великими – модами високих порядків.

Крім того, моди, які розповсюджуються по серцевині, називають напрямленими (рис.5.3).

Частина мод може попадати в оболонку – оболонкові моди, а ще частина може виходити назовні – витікаючі моди.

Рис.5.3. Типи мод: 1 - напрямлені; 2 - оболонкові; 3 - витікаючі

Кількість напрямлених мод в ступінчатому СВ можна розрахувати за формулою

, (5.6)

де – радіус серцевини.

Кількість мод у СВ може сягати тисяч.

Світловоди, в яких розповсюджується тільки одна, найбіль швидка (фундаментальна) мода називають одномодовими, декілька мод – м аломодовими, сотні і більше мод – багатомодовими.

Частина направляючих мод по різним причинам (згини, дефекти) може перетворюватися в моди оболонки і витікаючі моди. Загальна картина мод від цього стає нестабільною, особливо поблизу вхідного торця СВ (рис.5.4).

Рис.5.4. Структура витікаючи мод на вході оптичного волокна. 1 – світло діод, 2 – оптичне волокно.

Віддаль, на якій стабілізується модовий склад може сягати від декількох метрів до кілометрів в залежності від:

- матеріалу і розмірів серцевини,

- наявності згинів (вигинів),

- характеру і кількості введених мод.

Для швидшої стабілізації модового складу використовують спеціальні модові фільтри (рис.5.5).

Рис.5.5.

При цьому моди високих порядків перетворюються в моди низьких порядків.

В процесі розповсюдження по СВ направляючі моди послаблюються через розсіювання і поглинання. Втрати виникають в основному через такі причини:

- розсіювання на субмікроскопічних () неоднорідностях матеріалу – так звані релеєвські втрати (величина втрат пропорційна );

- поглинання і розсіювання іонами домішок – домішкові втрати;

- розсіювання і поглинання на мікроскопічних дефектах – стохастичні втрати (величина втрат пропорційна , р=1÷3).

- небажані перетворення модового складу.

Втрати розраховують за формулою

, [дБ] (5.7)

де – потужність введеного в СВ випромінювання (падаючий променистий потік),

– потужність випромінювання на виході СВ (променистий потік на виході світловода).

При проходженні по СВ імпульсів випромінювання змінюється не тільки їх амплітуда, але й форма – (рис.5.6).

а

б

Рис.5.6.

Це явище називають дисперсією.

Від величини дисперсії залежить смуга пропускання СВ.

За ширину смуги пропускання приймають інтервал , на якому амплітуда імпульсу спадає вдвічі (рис.5.7). Це відповідає зниженню потужності оптичного сигналу на 3 дБ або електричного сигналу на виході фотоприймача на 6 дБ (~ ).

а

б

Рис.5.7. Частотна структура сигналу на вході (а) і виході (б) волокна.

Загальна дисперсія СВ визначається як результат складання двох дисперсій – модової і хроматичної:

, [нс], (5.8)

а ширина смуги пропускання

, [Гц], (5.9)

в свою чергу

. (5.10)

Схема формування загальної дисперсії виглядає таким чином (рис.5.8)

Рис.5.8.

Дата добавления: 2014-01-11