КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
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 nK, который превышает коэффициент преломления nM оболочки. Если световое излучение падает на внутреннюю поверхность оболочки под углом g, который больше угла полного внутреннего отражения gG:
gG = arcsin(nK/nM), (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 qA. Зная это, можно получить из (3.41) n0sinqA=nKcosgG==AN. (3.42) Величину AN 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 qA), 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(nK2-nM2). (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 qA 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 nк материала, из которого изготовлен световод, зависит от длины волны, а поскольку источник, света, который подсоединен к световоду, немонохроматичен, то из-за различия nK разность времен пробега возникает даже в одномодовом световоде. Особенно удобна область спектра вблизи 1,3 мкм, где дисперсия nK кварцевого стекла минимальна, и можно без проблем использовать источники света с широкой спектральной эмиссионной полосой. Точное положение минимума дисперсии nK 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 ga(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 wg называют полосой пропускания оптического волокна.
Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 480; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |