Типы оптических волокон

Конструктивно волокон ные световоды обычно имеют круглое поперечное сечение и образованы двумя основными элементами. В центре располагается сердцевина из оптически более плотного стекла, ее окружает оболочка из стекла с меньшей оптической плотностью. Диаметры сердцевины и оболочки принято измерять в микрометрах и указы-вать в технических характеристиках волокна в явном виде через знак косой черты следующим образом: «диаметр сердцевины»/«диаметр оболочки». В соответствии с этим правилом сочетание 62,5/125 обозначает световод с диаметром сердцевины в 62,5 мкм и с оболочкой диаметром 125 мкм.

В некоторых современных изданиях встречаются такие не совсем корректные названия этих элементов, как «ядро» и «буфер», полученные прямым переводом с английского языка. Правильным является использование терминов «сердцевина» и «оболочка», употребляемых в отечественной научнотехнической литературе с середины 80-х годов и нормированных, в частности, ГОСТ 25462-82 «Волоконная оптика. Термины и определения».

На границе раздела сердцевины и оболочки происходит отражение оптических лучей, которые распространяются вдоль оси световода. Таким образом, сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, а оболочка предназначена для создания условий отражения на границе раздела двух сред – сердцевины и оболочки и защиты от излучения энергии в окружающую среду.

Излучение внешнего источника, падающее на входной торец волокон ного световода, возбуждает в нем несколько типов волн, которые называются модами. В свою очередь, моды делятся на направляемые, вытекающие и излучаемые.

Рисунок 2.2 Прохождение лучей в волокон ном световоде

К направляемым модам, относятся такие моды, которые распространяются вдоль сердцевины волокна и обеспечивают передачу информации (лучи 1 и 2 на Рисунок 2.20). Направляемые моды считаются основным типом электромагнитной волны и возбуждают-ся теми лучами, которые падают на торец волокна под углом, не превышающим предельный угол ΘА, называемый апертурным углом. Основные типы современных световодов имеют апертурный угол в пределах от 11,5 до 17°.

Лучи, которые падают на торец волокна под углом, превышающим ΘА, достигают границы раздела сердцевина–оболочка и за счет преломления в оболочку теряют часть энергии, испытывая при этом большое затухание (луч 3 на Рисунок 2.20). Эти моды называются вытекающими.

Наконец, при падении лучей под углами, существенно превышающими ΘA, часть из них достигает внешней поверхности оболочки и излучается в окружающее пространство (луч 4 на Рисунок 2.20). Такие моды называются излучаемыми. Излучаемые моды возни-кают также в местах нерегулярностей световодов. Появление вытекающих и излучаемых мод приводит к росту потерь и искажениям передаваемой информации.

Оптические волокна производятся разными способами, обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и вы-полняют разные задачи. Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index multi mode fiber).

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber)

Диаметр оболочки наиболее распространенных световодов составляет 125 мкм. В области диаметров сердцевин наблюдается существенно большее разнообразие. В зави-симости от диаметра сердцевины оптические волокна делятся на две группы: одномодо-вые и многомодовые, причем последние могут быть ступенчатыми и градиентными. В многомодовых световодах диаметр сердцевины выбирается много большим длины волны 25

оптической несущей, и условия полного внутреннего отражения выполняются для не-скольких типов волн (мод), количество которых в серийных волокна х обычно составляет от 1 000 до 2 000.

Показатель преломления оболочки, как правило, имеет постоянное значение, тогда как показатель преломления сердцевины может оставаться постоянным или же изме-няться вдоль ее радиуса по определенному закону, который носит название профиля показателя преломления.

Простейшим типом волокон ного световода является так называемый ступенчатый световод. В нем показатель преломления сердцевины остается постоянным вдоль ее радиуса. В ступенчатых многомодовых волокна х траектории лучей отдельных мод имеют вид зигзагообразных линий (Рисунок 2.21 а).

Рисунок 2.3 Распространение световых лучей в световодах:

а) ступенчатом; б) градиентном; в) одномодовом

От профиля показателя преломления в значительной степени зависят частотные свойства многомодовых световодов, поэтому на практике часто применяют профили, отличные от ступенчатых. Так, например, в градиентном световоде показатель преломле-ния за счет изменения количества легирующих добавок, главным образом германия, плавно снижается по мере удаления от оси по закону, близкому к квадратичной параболе (Рисунок 2.21 б). В таких волокна х траектории распространения большинства лучей представляют собой плавные кривые. В США для градиентных световодов наиболее популярны сердцевины с диаметром 62,5 мкм, а в Европе и в России часто используются также волокна с диаметром сердцевины 50 мкм.

В одномодовых световодах диаметр сердцевины (7-10 мкм) соизмерим с длиной волны, и за счет этого в нем существует только одна направляемая мода (Рисунок 2.21в).

Типы и размеры волокон приведены на рисунке (Рисунок 2.21). Каждое волокно 26

состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина, по которой происходит распространение светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного материала. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и оболочки. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины. У многомодового градиентного волокна и одномодового волокна со смещенной дисперсией показатель преломления сердцевины зависит от радиуса. Такой более сложный профиль делается для улучшения технических характеристик или для достижения специальных характеристик волокна.

Если сравнивать многомодовые волокна между собой (Рисунок 2.21 а, б), то градиентное волокно имеет лучшие технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в градиентном многомодовом волокне – основной источник дисперсии – значительно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна.

Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, бо-лее высокую пропускную способность. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков.

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты волокон (Таблица 2.3):

• многомодовое градиентное волокно 50/125 (Рисунок 2.16 а);

• многомодовое градиентное волокно 62,5/125 (Рисунок 2.16 б);

• одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией или стандартное волокно) 8-10/125 (Рисунок 2.16 в);

• одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (Рисунок 2.16г);

• одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волок-на).

Таблица 2.2 Стандарты оптических волокон и области их применения 27

Рисунок 2.4 Типы оптических волокон

Большинство устройств волокон ной оптики используют область инфракрасного спектр в диапазоне от 800 до 1600 нм в основном в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм, рис. 2.8. Именно окрестности этих трех длин волн образуют локальные минимумы затухания сигнала и обеспечивают большую дальность передачи.

2.2.1. Многомодовые градиентные волокна

Широко используются два стандарта многомодового градиентного волокна – 62,5/125 и 50/125, отличающиеся профилем показателя преломления сердцевины (Рисунок 2.17 а). Соответствующие спектральные потери для типичных волокон показаны на Рисунок 2.17 б.

В Таблица 2.4 приведены основные характеристики многомодовых градиентных волокон двух основных стандартов 50/125 и 62,5/125.

Необходимо отметить, что полоса пропускания на длине волны 1300 нм превосходит соответствующее значение на длине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. Дисперсия, которая определяет полосу пропускания, состоит из межмодовой и хроматической составляющих.

Рисунок 2.5 Многомодовые градиентные волокна: а) профили показателей преломления волокон 50/125 и 62,5/125; б) характерные кривые спектральных потерь мощ-ности

Таблица 2.3 Значения параметров градиентных многомодовых волокон

Если межмодовая дисперсия слабо зависит от длины волны – в соотношениях (2.14), (2.15) зависимостью показателя преломления от длины волны можно пренебречь, то хроматическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излучения. Коэффициент пропорциональности D(λ) при длинах волн в окрестности 1300 нм (λ0) близок к нулю, в то время как на длине волны 850 нм примерно равен 100 пс/(нм2×км). Специфика использо-вания многомодового волокна такова, что обычно в качестве передатчиков используются светоизлучающие диоды, имеющие уширения спектральной линии излучения благодаря некогерентности источника примерно Δλ~50 нм, в отличии от лазерных диодов с уширением Δλ~2 нм и меньше. Это приводит к тому, что хроматическая дисперсия на длине волны 850 нм начинает играть существенную роль наряду с межмодовой дисперсией. Значительно уменьшить хроматическую дисперсию можно при использовании лазерных передатчиков, имеющих значительно меньшее спектральное уширение. Воспользоваться этим преимуществом лазерных передатчиков можно только при использовании одномо-дового волокна в окнах прозрачности 1310 ни и 1550 нм, когда полностью отсутствует межмодовая дисперсия и остается только хроматическая дисперсия.

2.3. Параметры оптических волокон

Основными факторами, влияющими на характер распространения света в ОВ, являются: длина волны λ, для которой оптимизировано ОВ; геометрические параметры ОВ; параметры передачи ОВ; механические параметры ОВ.

Дата добавления: 2014-01-07