Геометрические и оптические параметры оптических волокон

Основными геометрическими параметрами ОВ являются: диаметр сердцевины; диаметр оболочки; диаметр защитного покрытая; некруглость (эллиптичность) сердцевины; некруглость оболочки; неконцентричность сердцевины и оболочки.

Рисунок 2.8 Примеры неоднородностей в ОВ: а – некруглость, б – неконцентричность сердцевины и оболочки ОВ

Некруглость сердцевины ОВ определяется как разность максимального и минимального диаметров сердцевины, деленная на номинальный диаметр сердцевины, и определяется только в многомодовых волокнах, некруглость оболочки — в многомодовых и одномодовых волокнах. Некруглость сердцевины ОВ (Рисунок 2.20 а) определяется из выражения:

где Hc – некруглость сердцевины, %; dmax, dmin – наибольший и наименьший диаметр серд-цевины, мкм, соответственно; dн – номинальный диаметр сердцевины, мкм.
Некруглость оболочки определяется аналогично.
Неконцентричность сердцевины относительно оболочки определяется как расстояние между центрами оболочки и сердцевины ОВ (Рисунок 2.20 б) и определяется из выражения:

где Hc/o – неконцентричность сердцевины относительно оболочки, мкм; Цс – координата центра сердцевины, мкм; Цо – координата центра оболочки, мкм.
Геометрические параметры стандартизированы для разных типов ОВ. Поэтому остановимся более подробно на оптических параметрах ОВ.
Основными оптическими параметрами волокна являются:
• относительная разность показателей преломления (Δ);
• числовая апертура (NA);
• нормированная частота (ν);
• число распространяющихся мод (М);
• диаметр модового поля (dмп);
• длина волны отсечки (критическая длина волны λкр).

Относительная разность показателей преломления. Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна (Рисунок 2.21). Будем обозначать через n1 и n2 показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно. Один из важных параметров, который характеризует волокно, это относительная разность показателей преломления Δ:

Если показатель преломления оболочки выбирается всегда постоянной величиной, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса. В этом случае для проведения различных оценок параметров волокна вместо n1 используют n1eff.

Числовая апертура. Важным параметром, определяющих условия ввода оптических сигналов и процессы их распространения в ОВ, является числовая апертура NA. Она связана с максимальным углом ΘА вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну, формулой:

Фирмыизготовители волокна экспериментально измеряют угол ΘА и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокна. Числовая апертура определяется для:
• оптических волокон со ступенчатым ППП по формуле

• оптических волокон с градиентным ППП по формуле

В градиентных ОВ используется понятие локальной числовой апертуры. Ее значение максимально на оси волокна и равно 0 на границе раздела сердцевина-оболочка.

Нормированная частота. Этот параметр, определяющий число мод, равен:

где λ — длина волны, мкм.
Если 0<ν<2,405, то режим работы волокна одномодовый, если ν>2,405 — многомодовый. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и тем меньшее расширение получают оптические импульсы. Соответственно увеличивается коэффициент широкополосности ОВ. Таким образом, одномодовое (ОМВ, англ. SMF – single mode fibre) может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое (MМВ, англ. MMF – multi mode fibre).

Число распространяющихся мод. Общее число мод в ОВ с диаметром сердцевины 2а, заданной числовой апертурой на рабочей длине волны λ определяется через нормированную частоту выражением вида:

В расчетах М может оказаться дробным числом, в то время как число мод в волокне бывает только целым и составляет от одной до тысячи мод. В волокне с градиентным ППП и теми же значениями диаметра сердцевины, показателей преломления n1 и n2 чис-ло мод примерно в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым ППП. Количество мод (с учетом всех вырожденных мод) в случае ступенчатого ППП (2.2) определяется выражением вида:

где u – показатель степени, описывающий изменения ППП.

Количество мод. Если при ν<2,405 может распространяться только одна мода, то с ростом ν количество мод начинает резко расти, причем новые типы мод «включаются» при переходе ν через определенные критические значения (Таблица 2.6).
Таблица 2.4 Номенклатура мод низких порядков

Количество мод может составлять от одной до нескольких тысяч.
На рисунке (Рисунок 2.22) показана общая картина распространения света по разным типам световодов: многомодовому ступенчатому, многомодовому градиентному, и одномодовому ступенчатому волокну.

Рисунок 2.9 Распространение света по разным типам волокон: а) – многомодовое ступенчатое волокно, б) – многомодовое градиентное волокно, в) – одномодовое ступенчатое волокно

Диаметр модового поля. Важным интегральным параметром ОМВ является диаметр модового поля. Этот параметр используется при анализе ОМВ.
В ММВ размер сердцевины принято оценивать диаметром (2а), в одномодовых волокнах – с помощью диаметра модового поля (dМП). Это связано с тем, что энергия основ-ной моды в ОМВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее приграничную область. Поэтому dМП более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды. Величина dМП является важной при стыковке волокон между собой, а также при стыковке источника излучения с волокном. Этот параметр численно равен удвоенному расстоянию от оси волокна до той точки, где плотность оптической мощности падает в 2,72 раза по сравнению с максимальным значением.
Длина волны отсечки (cutoff wavelength)
Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для одномодового волокна. Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии – межмодовая дисперсия, ведущий к уменьшению полосы пропускания волокна.
По ГОСТу различают волоконную длину волны отсечки (λCF) и кабельную длину волны отсечки (λCCF). Первая соответствует слабо напряженному волокну. На практике же волокно помещается в кабель, который при прокладке испытывает множество изгибов. Кроме этого, сильные искривления волокон происходят при их укладке в сплайсбоксах. Все это ведет к подавлению побочных мод и смещению λCCF в сторону коротких длин волн по сравнению с λCF.
λСF для ступенчатого ОМВ определяется выражением вида:

С практической точки зрения кабельная длина волны отсечки представляет больший интерес.
Волоконную длину волны отсечки можно оценить как теоретически, так и экспериментально. Теоретически легко это сделать для ступенчатого одномодового волокна – на основании выражений (2.7), (2.8) и (2.9).
λCCF, в отличие от λCF, можно оценить только экспериментальным образом. Одним из практических методов измерения длин волн отсечки λCF и λCCF является метод передаваемой мощности (transmitted power method). Сравнивается измеренная переданная спектральная мощность в зависимости от длины волны для образца одномодового волокна длиной 2 м с аналогичным параметром, полученным на образце многомодового волокна. Строится кривая

где Аm – разница затуханий; Ps – мощность на выходе одномодового волокна; Рm – мощность на выходе многомодового волокна.
Многомодовое волокно является эталонным. При этом один и тот же источник излучения с перестраиваемой длиной волны используется как для одномодового, так и многомодового волокна. Строится кривая Аm(λ) (Рисунок 2.23), длинноволновый участок которой экстраполируется прямой (1). Строится параллельная прямая (2), отстоящая ниже от (1) на 0,1 дБ. Точка пересечения прямой (2) с кривой Аm(λ) соответствует длине волны отсечки.

Рисунок 2.10 Определение длины волны отсечки

2.3.2. Параметры передачи оптических волокон
К параметрам передачи ОВ относятся:
• коэффициент затухания;
• дисперсия ОМВ;
• ширина полосы пропускания MМB.

Дата добавления: 2014-01-07