Оптические волокна для волоконно-оптических систем передачи информации имеют цилиндрическую форму. Центральный световодный сердечник имеет больший показатель преломления, чем оболочка. Профиль показателя преломления оптического волокна определяет его оптические потери и его дисперсионные свойства. От этих передаточных характеристик зависят такие технические параметры системы, как максимальная длина линии без ретранслятора и информационно-пропускная способность системы. Они непосредственно влияют на стоимость и надежность системы передачи информации.
Основные типы оптических волокон, их конструкции, профили показателя преломления (ППП) и схемы распространения оптических лучей представлены на рис. 1. В соответствии с формой ППП волокна (а) называются ступенчатыми, (б) — градиентными и относятся к многомодовым. Волокно на рис.1в является одномодовым, т. е. по нему распространяется только одна продольная мода.
В многомодовом волокне со ступенчатым профилем свет, вводимый в сердцевину оптического волокна (1), испытывает полное внутреннее отражение от границы раздела сердцевины и оболочки (2) и возвращается в сердцевину, как показано на схеме рис. 1а.
Условия синхронизации падающей и отраженной волны на границе сердцевина-оболочка обеспечивают формирование дискретного набора лучей (модовой структуры) [1], или характера распределения электромагнитного (оптического) поля в сечении волокна.
Наиболее ярко модовая структура проявляется при малом сечении сердцевины и незначительной разнице показателей преломления сердцевины и оболочки, когда число мод не велико (маломодовый режим).
При определенном сочетании диаметра сердцевины и разницы показателей преломления волокно становится одномодовым (рис.1в).
Информационно-пропускная способность многомодовых оптических волокон определяется следующими оптическими характеристиками.
Спектральное оптическое затухание (потери):
()=10 lg [J1 ()/J2()]/L (дБ/км),(1)
где J1() и J2() — интенсивности светового потока на входе и выходе волокна на длине волны , L — длина волокна.
Числовая апертура:
NA()= [n12()-n02()]1/2 [2 n02()n()]1/2sin,(2)
где n1() и n0() — показатели преломления (ПП) в сердцевине и оболочке волокна, n()=n1()–n0() — разница ПП сердцевины и оболочки, () — угол расходимости света на выходе волокна.
Рис. 1. Типы оптических волокон (многомодовые: А — ступенчатое, Б — градиентное, В — одномодовое; 1 и 2 — сердцевина и кварцевая оболочка волокна, n1 и n0 — показатели преломления сердцевины и оболочки, а и b — радиусы сердцевины и оболочки)
Дисперсия (уширение) одиночного светового импульса, отнесенная к волокну длиной 1 км:
D= [22()–12()]1/2/L [1()]1/2/L [нс/км],(3)
где 1() и 2() — длительности одиночного светового импульса на входе и выходе волокна,= 1()–2().
Коэффициент широкополосности:
В () = 400/D () (МГц.км),(4)
Ширина полосы пропускания:
f()=B()/Lfср (МГц),(5)
где fср — частота «среза» амплитудно-частотной характеристики при синусоидальной модуляции светового сигнала, проходящего через волокно. Следует отметить, что спектральное затухание и дисперсия определяются по приведенным выражениям и для одномодовых волокон.
Значения перечисленных характеристик обычно определяют на конкретной рабочей длине волны, используемой в данной системе передачи информации (например, 0,85, 1,3 или 1,5 мкм). В этом случае они являются параметрами волокна, достаточно полно характеризующими его работоспособность в выбранном диапазоне длины волны. Значение параметров (1–5) вычисляют непосредственно из экспериментальных значений величин, входящих в формулы.
Ширина полосы пропускания может быть определена непосредственно по предельной частоте пропускания сигнала с синусоидальной модуляцией света, т. е. как принято в радиотехнике, по срезу амплитудно-частотной характеристики на высоких частотах модуляции несущей частоты.
Числовая апертура (NA) характеризует расходимость светового пучка, выходящего из волокна, она может быть определена экспериментально по угловой расходимости пучка, прошедшего через волокно.
Значение числовой апертуры (NA) важно учитывать при вводе света в волокно, так как свет, вводимый под углами больше = arcsin NA, будет выходить через оболочку, образуя вытекающие моды и увеличивая потери.
В ступенчатом многомодовом волокне вследствие различия условий распространения оптических мод возникает большая модовая дисперсия, ограничивающая коэффициент широкополосности, который не превышает 20 МГц.км.
В градиентном световоде ПП плавно изменяется по радиусу сердцевины, и поэтому лучи света, входящие в сердцевину волокна под большими углами, более глубоко проникают во внешнюю область сердцевины (с малым ПП). Они рефрагируют, опережая по фазе лучи с меньшими углами входа, и возвращаются к оси сердечника. В результате, в градиентном волокне имеют место периодические биения светового поля с показанными на рис.1б узлами фокусировки и зонами максимального широкого расхождения мод.
Профиль показателя преломления в сердцевине градиентного волокна близок к параболическому [2]:
n (r) = n1 [1–(r/а) 2n/n1]1/2(6)
Здесь: п1 — максимальное значение ПП преломления в сердцевине волокна, п0 — показатель преломления кварцевого стекла оболочки. n = n1–п0 — разница ПП сердечника и оболочки, — параметр, определяющий градиент ПП (обычно 2).
Изменение ПП n(r) по радиусу r в сердцевине волокна создается с помощью легирующих присадок. Зависимость n от концентрации легирующих присадок (в мольных процентах) приведена на графике рис.2 для окислов циркония (Zr), титана (Ti), алюминия (А1), кальция (Са), германия (Ge), фосфора (Р), бора (В), а также связанного фтора (F). Увеличение концентрации присадок приводит к увеличению ПП, только В и F понижают ПП.
Рис. 2. Зависимость показателя преломления п в кварцевом стекле от концентрации различных легирующих примесей на длине волны 0,6 мкм
Электромагнитные волны оптических полей разных мод распространяются в градиентном волокне примерно с одинаковыми средними фазовыми скоростями, т. е. модовая дисперсия мала. Поэтому коэффициент широкополосности градиентных волокон составляет, в отличие от ступенчатых, уже 500 ÷1000 МГц, причем, в высококачественных волокнах он достигает 1,5 ГГц на волне =1,3 мкм.
Литература:
- Гауэр Дж. Оптические системы связи. — М.: Радио и связь, 1989. – 134 с.
- Корнеев Г. И., Красюк Б. А. Оптические системы связи и световодные датчики. — М.: Радио и связь, 1985. – 168 с.
- Андрушко Л. М., Саттаров Д. К. Черенков Г. А. и др. Волоконно-оптические линии связи. Справочник. — Киев: Техника, 1988. – 85 с.
