Волоконні світловоди

Світловод - пристрій, що обмежує область поширення оптичних коливань і направляє потік світлової енергії в заданому напрямку (оптичне середовище для поширення).

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Рисунок 1.1 - Плівкові світловоди

Розрізняють два види світловодів: пласкі та волоконні. Пласкі (планарні) світловоди у свою чергу підрозділяють на: плівкові, (рис.1.1а) і канальні, (рис.1.1б). Волоконні світловоди бувають: одношарові, (рис.1.2а); двошарові, (рис.1.2б); тришарові (рис.1.2в) і т.д..

Рисунок 1.2 - Волоконні світловоди

Тут n- показник заломлення (ПЗ) навколишнього середовища; n- ПЗ середовища, що веде світ; n, nПЗ заломлення оболонки, що відбиває світло і захисної оболонки, відповідно.

Найбільше поширення у волоконно-оптичних мережах в мережах і системах зв’язку (ВОМЗ, ВОСЗ) одержали діелектричні світловоди круглого поперечного перетину, що складаються з двох або декількох концентричних прошарків діелектрика. ПЗ внутрішнього прошарку і осередини у загальному випадку є функцією радіальної координати і її називають профілем показника заломлення (ПЗ). ПЗ зовнішніх прошарків (оболонок) є постійними.

Основні параметри, що характеризують тип ВОС:

а) геометричні розміри;

б) ППЗ;

в) коефіцієнт загасання ВОС;

г) спектральна крива загасання ВОС;

д) дисперсія ВОС;

є) смуга пропускання ВОС;

ж) коефіцієнт широкосмугості ВОС;

з) числова апертура N_А.

Найпростіший світловод являє собою колоподібний діелектричний стрижень (серцевина з n₁, що оточена діелектричною оболонкою з n₂ - рис.1.2.б, в). ПЗ матеріалу осередини n₁, а оболонки n₂ вираховуються згідно формул 1 і 2, відповідно.

, (1)

, (2)

де - відносні діелектричні проникності матеріалів ВОС з n₁, n₂.

Відносна магнітна проникність матеріалу μ звичайно постійна і дорівнює одиниці. Для передачі електромагнітної енергії по світловоду використовується явище повного внутрішнього відбитка на межі поділу двох діелектричних середовищ, тому необхідно, щоб ПЗ осередини був більше показника заломлення оболонки: (3)

1.3 Число і структура мод, що поширюються

У залежності від розміру кута (рис.1.3), що утворюють промені (виходять із крапкового джерела в центр торця ВОС) із віссю світловоду, мають місце кілька типів оптичних хвиль: моди «а», що спрямовуються в середені ВОС; моди оболонки «б», що поширюються на порівняно невеличкі відстані; моди «в», що виходять назовні світловоду (рис.1.3).

У осередині і оболонці існують два види променів (рис.1.4): меридіональні, що перетинаються з віссю світловоду, і косі, що з нею не перетинаються. Якщо кут менше деякого критичного кута _КР, що відповідно до закону Снеліуса визначається співвідношенням:

(4)

то промінь цілком відбивається на межі поділу «осередина - оболонка» і залишається у осередині (промінь «а»), а оболонка захищає світло, що поширюється по ВОС від будь-яких зовнішніх впливів і перешкод. Кожна власна мода світловоду має характерну для неї структуру електромагнітного поля, фазову і групову швидкості. ВОС, які підтримують поширення однієї моди, називають одномодовими (М = 1), більшого числа мод - багатомодовими. Іноді ВОС, кількість мод у якого не перевищує 100, називають маломодовим. По одному світловоду одночасно може поширюватися тільки визначений дискретний набір електромагнітних хвиль, кожна з яких є власною хвилею або модою. У хвильовому фронті кожної моди коливання поширюються з загальною фазою.

Рисунок 1.3 - Моди в східчастому ВОС

Якщо ця умова не виконується, то хвилі інтерферирують так, що гасять одна одну і зникають. Хвилі в осередині, що відповідають променям, траєкторії яких утворюють малі кути з віссю ВОС, називають модами нижчих порядків, а траєкторії яких утворюють великі кути з віссю ВОС, називають модами вищих порядків.

Як видно з рис.1.3 частина променів, що проникли у світловод, може поширюватися тільки по його осередині (мода «а»), а частина може поширюватися по оболонці світловоду (мода «б») на порівняно невеличкі відстані. Частина виходить назовні (мода «в», що витікає).

Хвилі випромінювання (а), поширюються безупинно по всієї приналежної їм області кутів і утворюють безперервний спектр. Хвилі оболонки (б), і витікаючі (в)- паразитні хвилі, яки відбирають енергію джерела випромінювання(ДВ) і зменшують її при передачі у ВОС.

У багатомодових світловодах діаметр осередини вибирається на багато більшим довжини хвилі оптичної несучої і умови повного внутрішнього відбитка виконуються для багатьох типів хвиль -мод. У одномодових світловодах діаметр осередини одного порядку із довжиною хвилі і за рахунок цього в ньому існує тільки одна мода. Одномодовий режим практично досягається при застосуванні дуже тонких волокон, близьких по діаметру довжині хвилі (d» l). Число типів хвиль (мод) у світловоді залежить від діаметра осередини d і довжини хвилі l. З збільшенням діаметра осередини (d = 2 r, рис.1.3) і зменшенням довжини хвилі l число мод М зростає. Також прагнуть зменшити різницю між ПЗ осередини і оболонки (n» n).

1.4. Профіль показника заломлення

Для характеристик світловоду велике значення має профіль показника заломлення (ПЗ) в поперечному перетині (рис.1.4-1.7).

Рисунок 1.4 - Поперечний перетин, розподіл ПЗ для волокна без покриття: хід променів; розміри діаметра осередини в мкм

Рисунок 1.5 - Поперечний перетин, розподіл ПЗ для волокна двошарового багатомодового світловоду: хід променів; розміри діаметра осередини і оболонки в мкм

Рисунок 1.6 - Поперечний перетин, розподіл ПЗ для волокна градієнтного багатомодового світловоду: хід променів; розміри осередини і оболонки в мкм

Рисунок 1.7 - Поперечний перетин, розподіл ПЗ для волокна двошарового одномодового світловоду: хід променів; розміри діаметра осередини в мкм

Практичний інтерес мають неоднорідності в поперечному перетині світловоду, тому що вони можуть мати характеристики, що неможливо одержати в однорідних світловодах.

Якщо осередина ВОС має постійне по радіусі значення профілю ПЗ (є сходинка n на межі «осередина - оболонка»), то вони називаються світловодами зі східчастим профілем показника заломлення (рис.1.5). Якщо ПЗ від центру до краю змінюється не східчасто, а плавно, те вони називаються ВОС з градієнтним ППЗ (рис.1.6). У градієнтному світловоді промені згибаються в напрямку градієнту показника заломлення (замість повного заломлення і відбитка, як у випадку волокна зі східчастим профілем).

У залежності від умов поширення світлової хвилі в серцевині ВОС діляться на дві групи: одномодові (SM - single mode) і багатомодові (MM - multi mode) причому останні можуть бути східчастими або градієнтними. Класифікація основних типів волоконних світловодів відображена на рис.1.8.

Типи волоконних світловодів

Багатомодові

Одномодові

Східчасті

Градієнтні

Східчасті

Із спеціальним профілем

Рисунок 1.8 - Типи ВОС

а) б)

Рисунок 1.9 - Структура профілю ПЗ ВОС без зсуву дисперсії: а) звичайний східчастий профіль, проста східчаста оболонка; б) східчастий профіль із зменшеним ПЗ оболонки

Найпростішим типом ВОС є східчастий світловод, у якому ПЗ матеріалу серцевини не змінюється в міру видалення від осі волокна аж до оболонки. У східчастих багатомодових волокнах траєкторії променів окремих мод мають вид зигзагоподібних ліній (рис.1.5).У градієнтному світловоді траєкторії поширення більшості променів являють собою плавні криві (рис.1.6).У одномодовому ВОС промінь поширюється майже прямолінійно. Структура показники заломлення одномодових волокон може бути різних профілів, деякі з них відображені на рис.1.9-1.11.

Рисунок 1.10 - Структура профілю ПЗ ВОС із зсувом дисперсії: а) сегментний профіль ПЗ з трикутною серцевиною (сегментна серцевина); б) трикутний профіль ПЗ.

Рисунок 1.11 - Структура профілю ПЗ ВОС із згладжуванням дисперсії: а) сегментний профіль із чотирьохсхідчатим ПЗ оболонки (квадрупольна оболонка); б) W-образний профіль (дубльована оболонка)

1.5 Геометричні розміри світловодів

До основних геометричних розмірів ВОС відносять діаметри осередини d і оболонки, що відбиває світло - D (рис.1.12а).

а) б) в)

Рисунок 1.12 - Геометричні розміри ОС

До додаткових розмірів відносять: несоосність (неконцентричність) Dx і Dy серцевини і оболонки; неокруглість (еліпсність) серцевини, а також товщину захисних оболонок. Несоосніть і неокруглість виражається у відсотках.

1.6 Конструкції світловодів

Типова конструкція волоконно-оптичного світловоду (рис.1.13) складається із осередини, світловідбиваючої оболонки, лакової оболонки і кремній-полімерної оболонки.

Рисунок 1.13 –Типова конструкція ВОС

Вибір діаметра осередини визначається багатьма чинниками. Чим більше діаметр, тим більше кількість світлової енергії вводиться у світловод, менше втрати на мікрозгибах, легше здійснювати операції монтажу і з'єднання. Зменшення діаметра осередини збільшує його гнучкість. Оптимальним для багатомодового кварцового волокна є діаметр осередини 50 мкм, світловідбиваючої оболонки (в 2,5 рази більше) - 125 мкм. Для одномодового волокна діаметр осередини 3…8 мкм, діаметр оболонки -62,5…125 мкм (через зручність монтажу). При цьому досягаються розміри осередини сумірні з довжиною хвилі 1,3…1,55 мкм. Одномодові ВОС забезпечують більшу дальність передачі і одержання мінімальної дисперсії чим багатомодові.

Висока точність підтримки геометричних розмірів, відсутність сторонніх умикань, пухирців, тріщин роблять значні впливи на передатні характеристики ВОС, на такі як загасання і ширина смуги пропускання. Покриття ВОС повинно захистити його від атмосферних впливів і деформацій, викликаних зовнішніми силами. ВОС мають декілько захисних покриттів: первинне покриття - тонка (5-10 мкм) лакова плівка з ацетату целюлози, епоксидної смоли, силікону, уретану або інших аналогічних матеріалів. Вона захищає від контакту з атмосферою, перешкоджає утворенню мікротріщин на поверхні, зберігаючи його механічну тривкість. Ця плівка наноситься відразу після витяжки на ще гаряче волокно напилюванням, або протяганням ВОС через судину з відповідним розчином. Після сушки ВОС намотується на барабан або передається на наступну операцію.

Призначення наступних прошарків - усунення впливів на ВОС поперечних сил і збільшення тривкості ВОС на розірвання. У найпростішому випадку це одношарове полімерне покриття, наприклад поліетилен, нейлон із зовнішнім діаметром 0,5...1мм. Краще ці функції виконує двошарове покриття: внутрішній м'який прошарок, наприклад із силіконової гуми, товщиною 50-150 мкм захищає ВОС як від поперечних так і від подовжніх напруг, зовнішній жорсткий прошарок із зовнішнім діаметром 0,5-1 мм сприймає всі зовнішні посилення діючі на світловод. Підхожим матеріалом є нейлон. Альтернативою служить трубчаста конструкція покриття. Трубка (Т) повинна мати гладкі стінки, малу усадку при старінні при високому модулі пругкості. Цими властивостями володіє, наприклад, трубка з поліпропилену. Простір між Т та ВОС, покритим лаком може бути заповнений повітрям, але кращі результати дає заповнення гелем. Така конструкція більш вібростійка і захищає від вологи.

1.7 Типи світловодів

Світловоди бувають багатомодові східчасті, багатомодові градієнтні, одномодові, кварц полімерні і полімерні.

Рисунок 1.14 - Багатомодовий світловод із східчастим ППЗ

1) Багатомодовий ВОС із східчастим профілем показника заломлення (рис.1.14) з великим діаметром серцевини (50…62,5 мкм) і апертурою N_A= 0,2 -0,3 можна ефективно з'єднувати з ДВ, подібним до світловіпромінюючого діоду (СД) із ламбертовським розподілом вихідного випромінювання. Він зручний для створення коротких, відносно дешевих ліній. Серцевина і оболонки виготовляються з високоякісних матеріалів для усунення втрат внаслідок домішкового поглинання. Зовнішній лаковий прошарок перешкоджає контакту з навколишнім зовнішнім середовищем. Демпферний прошарок приймає на себе зовнішні навантаження, розвантажуючи ВОС. Захисне жорстке покриття перешкоджає деформації ОВ. ПЗ осередини і оболонки: n=1,46; n=1,458.

2) Багатомодовий градієнтний світловод має серцевину з градієнтним профілем показника заломлення. Призначений для передачі широкосмугової інформації. На середні відстані показники заломлення оболонки та осередини: n=1,47; n=1,45.

3) Одномодовий світловод має граничну ширину смуги частот і чітко обумовленими характеристиками розподілу. Він ідеально підходить для передачі великих обсягів інформації на великі відстані.

Рисунок 1.15 - Одномодовий ВОС

Типова структура показана на рис.1.15 і складається із серцевини, оболонки, зовнішнього прошарку і буферного і захисного покриття. Серцевина і оболонка зі надчистого скла. Зовнішній прошарок виконується також із скла, але не настільки високої якості. Його призначення - збільшення зовнішнього діаметра, щоб із ним воно було більш жорстким і могло протистояти вигинам. Товщина оболонки повинна приблизно в 10 разів перевищувати радіус серцевини. Так як поле проникає на значну глибину із серцевини в оболонку, то одномодові світловоди мають апертуру в межах N_A=0,1.

Рисунок 1.16 - ВОС із полімерною оболонкою

4) Світловод із пластиковою оболонкою (кварц-полімер) являє собою багатомодовий ВОС із східчастим профілем показника заломлення. Складається зі скляної серцевини і пластикової оболонки, має серцевину великого діаметра, відносно велику апертуру. Типова структура вказана на рис.1.16.

Для пластикової оболонки використовують силіконову гуму. Ці світловоди потребують нанесення захисного пластикового покриття. Такий світловод дешевше багатомодового світловоду зі східчастим профілем показника заломлення. ВОС з чистого кварцового скла з пластиковою оболонкою характеризуються меншими втратами на випромінювання і тому придатні для застосування в спеціалізованих системах, де втрати на випромінювання грають важливу роль. Діаметри світловодної жили –100… 600мкм і більш при N_A=0,3 і смуга частот»200 МГц х км. З'єднання таких ОС утруднено через м'якість оболонок і труднощі витримування механічних допусків. Для втрат на рівні 1дБ точність допусків має бути в межах ±10%.

5) Полімерний світловод- багатомодовий світловод із східчастим профілем показника заломлення, що має набагато більші втрати, але не потребуючий особливих запобіжних заходів при його вживанні. Його зручно використовувати в дуже коротких лініях і недорогих лініях. Структура має вид, зображений на рис.2.21. полімерний світловод із гарними властивостями виготовляють із поліметілметакрилата і його полімерів.

а)б)

Рисунок 1.17 - Полімерний ВОС: а) осередина з захисною оболонкою, б) світловод без додаткових захисних прошарків

Механічні властивості полімеру дозволяють застосовувати світловод без додаткових захисних прошарків. Ці світловоди мають великі загасання - типові 400 дБ/км. Кращі зразки - 80дБ/км. Основна властивість - висока радіаційна стійкість.

6) Волоконно-оптичні джгути і стрічки (патч-корд) - набір із великої кількості світловодів, зібраних у регулярні джгути, діаметром від 1 мм до 100 мм із скріпленими епоксидною смолою торцями, що піддаються поліруванню і захистом лактановою оболонкою. Призначені для передачі світла, зображення, кодування інформації, розгортки або пакунка світлового зображення і т.д. Різновид джгутів - волоконно-оптичні пластини та стовпчики.

1.8 Оптичні характеристики

При передачі світлового імпульсу по світловоду виникає його загасання, а також уширення або дисперсія переданих імпульсів. Передача світлового імпульсу по ВОС характеризують три параметри: загасання, дисперсія, час пробігу.

1.8.1 Загасання

При розповсюдженні світла через ОВ його амплітуда зменшується, Це явище має назву загасання. Чим менше загасання (утрати) і чим менше дисперсія, тим більше може бути відстань між регенераційними ділянками або повторювачами. На загасання світла у волокні впливають такі фактори, як утрати на поглинання , утрати на розсіювання , кабельні втрати .Втрати на поглинанні і на розсіюванні разом називають власними втратами , у той час як кабельні втрати в силу їх природи називають додатковими втратами.

Загасання

Власні втрати

Кабельні втрати

Втрати на поглинання

Втрати на розсіювання

Рисунок 1.18 - Основні типи втрат у волокні

Сумарні втрати α визначаються по формулі (7), що складаються з кількох складових: (7)

Втрати на поглинанні a_n складаються як із власних втрат у кварцовому склі: ультрафіолетове (УФ) і інфрачервоне (ІЧ) поглинання і з втрат, пов'язаних із поглинанням світла на домішках. Центри домішок, у залежності від типу домішки, поглинають світло на визначених (властивої даної домішки) довжинах хвиль і розсіюють поглинену світлову енергію у виді джоулева тепла. Навіть незначні концентрації домішок призводять до появи піків на кривої втрат. Слід зазначити характерний максимум у районі довжини хвилі 1480 нм, що відповідає домішкам ОН. Цей пік є присутнім завжди. Область спектра в районі цього піка через великі втрати практично не використовується.Власні втрати на поглинанні ростуть і стають значимими в УФ і ІЧ областях. При довжині хвилі випромінювання понад 1.6 мкм звичайне кварцове скло стає непрозорим через ріст втрат, пов'язаних з ІЧ поглинанням.

Втрати на розсіюванні a_р. Вже до 1970 року виготовлене ОВ стає настільки чистим (99,9999%), що наявність домішок перестає бути головним чинником загасання у волокні. На довжині хвилі l= 800 нм загасання складає a=1,5дБ/км. Подальшому зменшенню загасання перешкоджає так зване релеєвське розсіювання світла. (викликане наявністю неоднорідностей мікроскопічного масштабу у ОВ). Світло, попадаючи на такі неоднорідності, розсіюється в різних напрямках. У результаті частина його губиться на оболонці. Ці неоднорідності з'являються під час виготовлення ОВ. Втрати на релеєвському розсіюванні залежать від довжини хвилі за законом l^-4 і більш виявляються в області коротких довжин хвиль.

Розсіювання обумовлене неоднорідностями матеріалу ВОС

(розміри котрих менше довжини хвилі) і тепловою флуктуацією ПЗ n. Втрати на розсіюванні визначаються формулою:

(8)

де К - постійна Больцмана;

Т - температура переходу;

- стискальність;

n -ПЗ;

l_i -довжина хвилі випромінювання.

Втрати енергії істотно зростають через наявність у матеріалі ВОС постійних домішок a_пр, таких як гідроксильні групи ОН, наявність іонів металів і інших включень. У області резонансів власних коливань іонів домішок звичайно є сплески ослаблення. Через іони гідроксильних груп частіше усього відбувається сплеск ослаблення на хвилі 0,95 мкм та 1,48 мкм. Залежність загасання волоконного світловода від довжини хвилі відображена на рис.1.19.

З малюнка очевидно, що a_n та a_р із ростом l зменшуються, а через домішки є істотні резонансні сплески ослаблення на хвилях 0,95 і 1,4 мкм за рахунок гідроксильних груп і інших включень. При цьому чисто кварцові світловоди мають набагато менші домішкові втрати, чим силікатні (багатокомпонентні) світловоди. На малюнку виділені також три вікна прозорості світловода з малим ослабленням у діапазоні довжин хвиль 0,8...0,9; 1,2...1,3; 1,5...1,6 мкм. У цих діапазонах із збільшенням довжини хвилі ослаблення істотно зменшується. Так, при l=0,85мкм маємо a=1,5дБ/км; при l=1,3мкм відповідно a=0,4дБ/км; при l=1,55мкм - a=0,2дБ/км і менше.

Рисунок 1.19 - Залежність загасання ВОС від довжини хвилі

У зв'язку з цим, перше покоління ВОЛС використовувало довжину хвилі 0,85 мкм, друге покоління ВОЛС розроблялося на довжині хвилі 1,3 мкм, а третє покоління використовує довжину хвилі 1,55 мкм.

У останньому випадку вдається довести довжину регенераційної ділянки до 100…1000 км і більше та виключити з оптичного каналу мідні жили для дистанційного електроживлення лінійних регенераторів і скоротити число регенераторів. Експериментально проробляється можливість використання діапазону довжин хвиль 2-3 мкм і більш і вже освоюються 4 і 5 вікна прозорості.

1.8.2 Дисперсія і смуга пропускання

По ОВ передається не просто світлова енергія, але також корисний інформаційний сигнал. Імпульси світла, послідовність яких визначає інформаційний потік, у процесі поширення розпливаються, що дає неможливим їх виділення при прийомі. Дисперсія (розширення імпульсів) має розмірність часу і визначається як квадратична різниця тривалостей імпульсів на виході і вході кабелю довжини L по формулі:

(9)

Дисперсія нормується в розрахунку на 1 км і вимірюється в пс/км і в загальному випадку характеризується трьома основними чинниками (рис.1.20):

-розходженням швидкості поширення спрямованих мод (міжмодова дисперсія t _{м од}),

-направляючими властивостями світловодної структури (хвильоводна дисперсія t _х),

-властивостями матеріалу оптичного волокна (матеріальна дисперсія t_м).

Дисперсія

Міжмодова

Хроматична

Матеріальна

Хвильоводна

Рисунок 1.20 - Види дисперсії

Чим менше значення дисперсії, тим більший потік інформації можна передати по ВОС. Результуюча дисперсія t визначається з формули: (10)

1.8.3. Поширення світла по різних типах волокон

На рис.1.21 показано поширення світла по різних типах ВОС, що призводить до виникнення дисперсії і розмиттю форми імпульсів.

1.8.4 Довжина хвилі відсічки (cutoff wavelength)

Мінімальна довжина хвилі, при якій волокно підтримує тільки одну поширюючу моду, називається довжиною хвилі відсічки. Цей параметр характерний для одномодового волокна. Якщо робоча довжина хвилі менше довжини хвилі відсічки, то має місце багатомодовий режим поширення світла. У цьому випадку з'являється додаткове джерело дисперсії - міжмодова дисперсія, що веде до зменшення смуги пропускання волокна.

Рисунок 1.21 - Поширення світла у різних ОВ: а) багатомодове східчасте ОВ; б) багатомодове градієнтне ОВ; в) одномодове східчасте ОВ

Дисперсія виникає по двох причинах:

-некогерентність джерел випромінювання, яка зветься хроматичною або частотною, вона ділиться на два види - матеріальну і хвильоводну або внутримодову.Вона обумовлена залежністю ПЗ від довжини хвилі, хвильоводна дисперсія обумовлена направляючими властивостями матеріалу ВОС від довжини хвилі;

-наявністю великої кількості мод, кожна з яких поширюється зі своєю швидкістю, для багатомодового ВОС із ∆n = n- n= 0,015; який має більш 800 мод, різниця часу їх поширення складає 60 нс після проходження через волокно довжиною 1км.

Пропускна спроможність ВОС істотно залежить від типу їх властивостей (одномодових, багатомодових і градієнтних), а також від типу випромінювача (лазер або СД).

1.8.5 Міжмодова дисперсія

Міжмодова дисперсія виникає внаслідок різноманітної швидкості поширення мод, і має місце тільки в багатомодовому ОВ.

На практиці, особливо при описі багатомодового волокна, частіше користуються терміном смуга пропускання. При розрахунку смуги пропускання W можна скористатися формулою:

Мгц, де береться в нс. (11)

Вимірюється смуга пропускання в МГц км. З визначення смуги пропускання очевидно, що дисперсія накладає обмеження на дальність передачі і верхньої частоти переданих сигналів. Фізичний зміст W - це максимальна частота модуляції переданого сигналу при довжині лінії 1 км. Якщо дисперсія лінійно росте з ростом відстані, то смуга пропускання залежить від відстані обернуто пропорційно.

1.8.6 Хроматична дисперсія

Хроматична дисперсія складається з матеріальної і хвильоводної складових і має місце при поширенні як в одномодовому, так і в багатомодовому волокні. Проте найбільше чітко вона виявляється в одномодовому волокні через відсутність міжмодової дисперсії.

Матеріальна дисперсія обумовлена залежністю показника заломлення волокна від довжини хвилі:

(12)

Хвильоводна дисперсія обумовлена залежністю коефіцієнта поширення моди від довжини хвилі:

(13)

де L - довжина волокна;

- довжина хвилі;

с - швидкість світла;

- ПЗ серцевини;

М(l) - питома матеріальна дисперсія;

N(l) - питома хвильоводна дисперсія;

Dl (нм) - поширення довжини хвилі внаслідок некогерентності джерела випромінювання.

Результуюче значення коефіцієнта питомої хроматичної дисперсії визначається як: (14)

Питома дисперсія має розмірність . Якщо коефіцієнт хвильоводної дисперсії завжди більше нуля, то коефіцієнт матеріальної дисперсії може бути як позитивним так і негативним. І тут важливим є те, що при визначеній довжині хвилі (приблизно 1310± 10% нм для східчастого одномодового волокна) відбувається взаємна компенсація М(l) і N(l), а результуюча дисперсія D(l) обертається в нуль. Довжина хвилі l, при якій це відбувається, називається довжиною хвилі нульової дисперсії l₀. Для зменшення хроматичної дисперсії використовуються когерентні джерела випромінювання, наприклад з вузькою шириною спектра випромінювання - лазерні передавачі (Dl = 2нм) і довжини хвилі близькі до довжин хвилі нульової дисперсії.

Для того, щоб при передачі сигналу зберігалася його прийнятна якість (співвідношення сигнал/шум було не нижче визначеного значення) необхідно, щоб смуга пропускання волокна на довжині хвилі передачі перевершувала частоту модуляції.

Приклад 1. Стандарт Ethernet для багатомодового волокна. Оптичний інтерфейс Base-FL припускає (код Манчестер) з частотою модуляції 20 МГц. При використанні ВОС із Dl=35нм (l = 850нм) питома смуга пропускання для волокна 50/125 складе 125 Мгц км і при довжині оптичного сегменту 4км буде 31МГц, що більше 20МГц*.

Приклад 2. Стандарт FDDI для багатомодового волокна. Оптичний інтерфейс FDDI PMD припускає кодування коду 4В /5В із частотою модуляції 125 МГц. При використанні світлодіодів із Dl=35 нм (l = 1310 нм) питома смуга пропускання для волокна 62,5/125 складає 450 Мгц км і при довжині оптичного сегмента 2км буде 225МГц, що більше 125МГц.

1.8.7 Числова апертура

Ефект повного внутрішнього відбитка використовується в оптичних світловодах за рахунок того, що в середині світловода є «скляна серцевина» із показником заломлення nі навколо її «скляна оболонка» із показником заломлення n, при цьому nбільше n(рис.1.22). Повний внутрішній відбиток у ОВ має місце доти, поки введені у світловод промені падають на його торець під кутом Q і заломлюються під кутом більш a- критичним кутом. Для aмає місце таке відношення: , (15)

тобто критичний кут залежить від відношення показників заломлення nі n. З формули (15) випливає, що промені, які відхиляються від

осі ОВ на кут не більш (90- a), поширюються в серцевині.

Рисунок 1.22 - Поширення світла у ВОС

Для того, щоб увести світло зовні у середину (повітря з показником заломлення n= 1), кут запровадження між променем і віссю світловоду можна визначити відповідно до закону заломлення:

(16)

і отже, (17)

З урахуванням вимоги відносно критичного кута результат буде таким: (18)

Максимально можливий кут променів на торець ВОС Qназивається вхідною кутовою апертурою. Вона залежить тільки від двох показників заломлення nі n. Синус вхідної кутової апертури називається числовою апертурою N_A ВОС: (19) Цей розмір дуже важливий для запровадження світла у волоконий світловод. Отже, ОВ пропускає світло, яке уведене у рамках обмеженого тілесного кута, розмір якого залежить від показників заломлення: матеріалу серцевини n, оболонки nі середовища навколо з n. Числова апертура світловоду залежить від показників заломлення, визначається типом і концентрацією легуючих добавок, для котрих використовуються оксиди германію, бору, фосфору, титану і алюмінію. Градієнтні світловоди мають N_A = 0,2. Світловоди з великою числовою апертурою мають великі втрати, але їх легше виготовляти і вони дешевше. Збільшення різниці між показником переломлення серцевини і оболонки покращує ефективність запровадження випромінювання у ВОС, але в той же час призводить до збільшення міжмодової дисперсії - розширенню імпульсу. У ВОС із малою числовою апертурою менше дисперсія імпульсу, але більше втрати на мікрозгибах.

1.9 Завдання до ПР

1. Вивчити устрій ВОС і принципи поширення оптичного випромінювання по ньому у залежності від профілю ПЗ.

2. Вивчити основні характеристики ВОС:

2.1. Число і структура мод, що поширюються в ОВ.

2.2. Профіль ПЗ.

2.3. Числова апертура, її фізична сутність.

2.4. Геометричні розміри серцевини і оболонки.

2.5.Оптичні характеристики: загасання і розширення імпульсів.

2.6. Вивчити устрій запропонованих екземплярів кварцових, кварц-полімерних і полімерних ВОС, їх геометричні особливості, зарисувати, описати і обміряти їх розміри, зробити висновки.

1.10 Контрольні питання

1. Що таке світловод і на якому принципі по ньому передається електромагнітна енергія.

2. Устрій ВОС для передачі оптичної інформації.

3. Що таке мода? Число і структура мод, що поширюються, у різноманітних типах ВОС.

4. Направляємі, оболоночні і витікаючі моди.

5. Одномодові і багатомодові, східчасті і градієнтні ВОС.

6. Профіль показника заломлення в різноманітних типах ВОС.

7. Геометричні розміри ВОС в залежності від їхнього типу.

8. Конструкція ВОС.

9. Числова апертура ВОС, її фізична сутність.

10. Загасання, її фізична сутність, основні параметри.

12. Дисперсія, її фізична сутність, основні параметри.

1.11 Матеріали, інструмент, обладнання

У практичній роботі використовуються такі типи ВОС:

1. ВОС із кварцовою світловедучою жилою і кварцовою оболонкою, що відбиває світло, розміром 50/125 мкм покритий лаковою захисною оболонкою. Виробник: ВАТ«Одескабель»;

2. ВОС із кварцовою світловедучою жилою і світловідбиваючою оболонкою фірми CORNING. Характеристики: SMF - LS. Одномодове ОВ з ненульовою усунутою дисперсією, діаметр модової плями 8,4 мкм, діаметр відбиваючої світло оболонки 125±10% мкм. Діаметр покриття типу СРС6 245±10% мкм. Неконцентричність: покриття <12мкм; серцевини і оболонки Ј1 мкм. Неокруглість оболонки <1,0%;

3. Кварц-полімерне ОВ, діаметр світловедучої жили 200 мкм;

4. Кварц-полімерне ОВ, діаметр світловедучої жили 400 мкм;

5. Полімерне ОВ (оптичні шнури) різних діаметрів;

6. Пристрій для зняття захисної оболонки;

7. Мікроскоп (або мікрометр).

1.12технікА безпеки

1. Запобігати попадання відрізків ОВ (які виникають під час роботи з ними) на одяг та на шкіру.

2. Під час роботи з ОВ забороняється приймання їжі, а після завершення роботи необхідно вимити руки з милом.

3. Треба передбачати, що розчінювачі, які можуть використовуватися при віддаленні захисних оболонок є вогненебезпечні і горять безцвітним пламінням, можуть бути токсичними і викликати алергічну реакцію.

1.13 Порядок проведення ПР

1. Ознайомитися з типами ВОС, які використані в роботі.

2. Ознайомитися з інструментом і матеріалами, які використовуються в роботі:

-мікрометром або мікроскоп;

- пристосуваннями і матеріалами для зняття оболонок ВОС.

3. Хімічним (механічним) шляхом зняти захисні оболонки.

4. Замірити діаметр ВОС у захисних оболонках і світловоду після зняття оболонок.

5. Підсвітити один кінець кожного із світловодів і замірити під мікроскопом (приблизно) діаметр ведучої світло жили за допомогою вимірювальної сітки.

6. Намалювати конструкцію кожного зі світловодів і завдати на малюнки отримані розміри і позначити типи досліджуваних ВОС.

1.14 Зміст звіту

Оформлений звіт повинен містити:

-титульний аркуш;

-назву роботи;

-теоретичні відомості;

-результати дослідження, рисунок ОВ, розміри, опис типу ОВ, відповіді на запитання п.1.10 (1-12 по варіантах, завданих викладачем);

-висновки.

1.15 ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА ДО ПР№1

Дата добавления: 2014-10-23