Основные характеристики оптических волокон.

Основными характеристиками оптических волокон являются геометрические (диаметры сердцевины, оболочки, защитной оболочки, число волокон в кабеле, диаметр и оптические свойства кабеля) и оптические (числовая апертура, поглощение и рассеяние, показатели преломления сердцевины и оболочки, коэффициент ввода излучения в волокно, число мод, распространяющихся в волокне, коэффициент затухания и коэффициент дисперсии излучения в волокне).

Рассмотрим некоторые оптические свойства волокон подробнее.

Числовая апертура. Когда лучи света входят в волоконный световод (лучи попадают на торец световода), как показано на рис. 4, то в нем, благодаря полному внутреннему отражению смогут распространяться только лучи, для которых угол падения лежит в пределах 0 _АП.

	jпр

Рис.4. Распространение света в ступенчатом световоде

 

 

Значение синуса Sin _АП половины угла при вершине конического пучка лучей, которые захватываются и направляются в световод, называется числовой апертурой. Её обозначают NA (Numerical Aperture):

NA= n₀ Sin _АП,

где n_{0 -} показатель преломления внешней среды.

От значения числовой апертуры зависит эффективность ввода излучения лазера или светодиода, то есть оптическая мощность, которую можно ввести от источника в световод.

Значение угла падения определяется показателями преломления сердцевины n₁и оболочки n₂. Покажем это на примере ступенчатого волокна.

Луч, падающий на входной торец волоконного световода под углом j_АП, преломляется под углом j_пр, который определяется выражением

                                                                (1)

Преломленный луч падает на границу раздела сердцевина – оболочка под углом q_кр, причем

и

Поэтому  

                                      (2)

Для полного внутреннего отражения лучей от границы " n₁ - n₂ " необходимо выполнение условия:

Отсюда                                                                         (3)

Подставляем (3) в (2):

Итак, числовая апертура определяется:

                                                                                     (4)

 

Для оптических волокон часто используют относительную разность коэффициентов преломления:

 

Тогда выражение для числовой апертуры можно переписать в виде:

                                                                              (5)

Из (5) видно, что с увеличением разности показателей преломления сердцевины и оболочки, значение NA возрастает, что улучшает эффективность ввода излучения в световод. Обычно, для ступенчатых световодов, числовая апертура равна 0,18…0,23 и лишь для отдельных типов световодов может достигать 0,4…0,55.

Так, как апертурный угол, под которым излучение входит в волокно, равен максимальному углу, под которым излучение выходит из волокна, можно определение NA проводить из измерений углового распределения оптической мощности на выходе волокна. Такое распределение называется д иаграммой направленности (см. рис. 8).

В экспериментальной части работы измеряется также коэффициент (К) ввода излучения в волокно, равный отношению мощности излучения на выходе из волокна к мощности излучения на входе: . Для точечного источника, излучающего во все направления, справедлива формула:

                                                                    (6)

 (Примечание):

Поглощение. Поглощение в волокне составляет основную часть потерь световой энергии. Кроме собственного поглощения (поглощения материалом стекла), поглощение возникает из-за наличия в стекле ионов металлов Fe, Cu, Ni, Cr и ионов OH^- (из-за наличия воды в стекле). Собственное поглощение наблюдается в ультрафиолетовой (обусловлено электронными полосами поглощения) и инфракрасной (обусловлено колебательными полосами поглощения в компонентах, входящих в состав стекла) областях спектра.

Одним из количественных параметров качества световода является коэффициент затухания b, который показывает ослабление мощности светового потока на выходе световода (длиной 1км) по отношению к мощности светового потока на входе этого световода и расчитывается по формуле:

 , где

P_вх -- оптическая мощность на входе, вт.

P_вых – оптическая мощность на выходе, вт.

L – длина световода, км.

=  (децибел на километр)

В современных световодах b» (0,2…0,3) . Таким образом, световой поток уменьшается на (4,5…6,7)% после прохождения километрового пути по световоду. Это означает, что через двухкилометровое волокно свет проходит так же, как через оконное стекло толщиной 5мм, т.к. оконное стекло характеризуется коэффициентом затухания b = 100000 дБ/км.

Коэффициент затухания зависит от собственных потерь в световоде, которые различны для разных длин волн. На рис.5 представлен типовой график спектральной зависимости собственных потерь в одномодовом световоде.

Рис. 5 Приблизительная спектральная характеристика затухания кварцевого волокна

 

 

Пик на графике (рис.5) связан с поглощением света металлическими и гидроксильными ионами. На рис.5 видно, что поглощение имеет спад между длинами волн 800 и 900 нм, поэтому первые волоконно-оптические системы работали на этих длинах волн, для которых существовали также источники и приемники света. Однако, на длинах волн 1300 и 1550 нм оптические потери ниже, поэтому в настоящее время используют эти участки спектра. При длинах волн более 1600 нм поглощение в стекле возрастает вследствие молекулярных резонансов в материале световода (кварц).

Второй причиной оптических потерь в волокнах является рассеяние. Существуют два основных механизма, рассеяния света в волокнах.

 Первый из них - рэлеевское рассеяние, вызываемое неоднородностями диэлектрических свойств, вследствие хаотического распределения молекул в аморфном стекле, возникающего при варке стекла. Из-за этих неоднородностей часть световой энергии выводится в оболочку и теряется. Рэлеевское рассеяние пропорционально l^-4, и в особо чистых стеклах составляет 1,2 дБ/км при длине волны 900 нм, 0,25 дБ/км при длине волны 1300 нм и 0,12 дБ/км при длине волны 1550 нм.

Второй механизм рассеяния связан с неоднородностями на поверхности раздела «сердцевина – оболочка». Вследствие этого, лучи света, падающие на поверхность раздела под одним и тем же углом, отражаются под различными углами, что приводит к явлению, называемому смешением мод. (Пик потерь на длинах волн 1400 нм, в основном, обусловлен именно смешением мод).

Третья причина оптических потерь связана с изгибами волокон в кабеле и носит название потерь на микроизгибах или потерь на излучение. Эти потери невелики, если только радиус изгиба не становится меньше некоторого критического значения. Поэтому волокна требуют аккуратного отношения, чтобы избежать микроизгибов.

Четвертой причиной оптических потерь является инфракрасное поглощение. Инфракрасное поглощение не позволяет использовать обычные световоды при длинах волн > 1500 нм. Поэтому для передачи мощных инфракрасных излучений в настоящее время применяют полые световоды, представляющие собой стеклянную трубку, в которой световой поток распространяется по центральному воздушному каналу

Следует отметить, что основной причиной ухудшения параметров волоконных световодов в процессе эксплуатации оптического кабеля является влага, проникающая в кабель. Под воздействием влаги происходит помутнение стекла и образование микротрещин. Для защиты оптических кабелей от влаги накладывают металлическую оболочку и принимают другие меры.

В настоящее время в линиях связи преимущественно используют одномодовые световоды. Например, в США ежегодно изготовляется по 1,6 млн. км оптических волокон, причем 80% из них в одномодовом режиме. (Аналогичное производство имеется и в г.Самара). Проложены подводные одномодовые магистрали через Атлантический и Тихий океаны. В городах оптические кабели связывают городские АТС и узлы связи. Световоды используются в системах управления самолетов, кораблей, в кабельном телевидении и компьютерных сетях. Причем, на малых расстояниях, в пределах одного здания, чаще используется дешевое многомодовое волокно, а для связи между отдельными зданиями, расположенными на небольшой территории, уже необходимо использовать градиентное или близкое к одномодовому волокно. Для междугородной связи и телефонных сетей внутри города требуется использовать одномодовое волокно.

Экспериментальная часть

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

Рис.6. Базовая схема установки для проведения экспериментов: (слева направо): фотодиод в кронштейне, поворотный столик, устройство ввода излучения в волокно, полупроводниковый лазер. Установка смонтирована на оптическом рельсе.

 

На рис. 6 представлена экспериментальная установка. Она предназначена для исследования волоконно-оптических световодов: измерения коэффициента ввода излучения в волокно, определения числовой апертуры волокна, исследования распределения интенсивности и степени поляризации излучения на выходе волокна, исследования зависимости оптических потерь от деформации волокна. В таблице приведены элементы установки и их назначение.

                                 Элементы экспериментальной установки.                        Таблица 1.

№	Название	Назначение
1	Лазер	Полупроводниковый лазер длина волны 650 нм, оптическая мощность 5 мВт, нестабильность оптической мощности <1мкВт. Питание от сети через адаптер 220В / 9В.
2	Устройство ввода излучения	Устройство ввода излучения состоит из юстировочного узла (1) – для прецизионного перемещения волокна в плоскости перпендикулярной оптической оси, объектива (2) – для фокусировки излучения на торец волокна, держателя объектива (3) - для прецизионного перемещения объектива вдоль оптической оси.
3	Оптическое волокно	Набор из трех оптических кварцевых волокон для измерения их характеристик, заключены в защитную оболочку, торцы полированы и снабжены механическими насадками для фиксации волокна. Волокна маркированы белыми и красными метками: одна метка – волокно с диаметром сердцевины 400 мкм, две метки - волокно с диаметром сердцевины 40 мкм, три метки – волокно с диаметром сердцевины 4 мкм. Красным цветом помечен наконечник волокна, устанавливаемый в гнездо юстировочного узла устройства ввода излучения.
4	Кронштейн на поворотном столике	Крепление волокна на оси поворотного столика при измерении диаграммы направленности.
5	Кронштейн фотодиода	Крепление фотодиода
6	Фотодиодный измеритель оптической мощности	Предназначен для измерения оптической мощности в пределах 2мВт и 20 мкВт. Состоит из фотодиода ФД-24К в корпусе, блока питания, преобразователя фототока в напряжение и встроенного мультиметра.
7	Диафрагмы ФД	Диафрагмы устанавливаются на фотодиод для крепления волокна (1), для измерения диаграммы направленности (2) и для измерения оптической мощности более  2 мВт (3).