Распространение света по волокну

Известно, что скорость света v в прозрачном веществе меньше скорости света с = 300 000 км/с в вакууме. Отношение с/v = n -это есть показатель преломления света в веществе.

Луч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n₁, и падающий на границу со средой, имеющей меньший показатель преломления n₂, преломится и продолжит своё движение во второй среде (рисунок 2.1, луч 1).

Если угол падения светового луча j₁ увеличить, то увеличится и угол преломления j₂. При j₂ = 90° преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела двух сред. Угол падения, при котором это происходит, называется углом полного внутреннего отражения (луч 2 на рисунке 2.1). Если угол падения больше угла полного внутреннего отражения, то световой луч (луч 3) не заходит в среду с меньшим показателем преломления, а полностью отражается вовнутрь. Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.

 

 

луч 2

 

Рисунок 2.1

Волокно состоит из сердцевины (сердечника) и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна.

Показатель преломления сердечника n₁, а оболочки n₂, причем всегда n1 > n2.

Рассмотрим ход лучей света в волокне (рисунок 2.2):

Предположим, что θ₁ – угол падения луча света, а θ₂ - угол преломления этого луча.

Так как n₁ > n₂, то существует критический угол падения Q _{1 =} θс, при котором угол преломления Q ₂ будет равен 90 градусов (Sin90=1), при этом свет не будет выходить в оболочку.

 

 

Рисунок 2.2 – Ход лучей света в волокне

Тогда согласно закону Снеллиуса: (2.1)

θс = arcsin (n₂ / n₁) (2.2)

Если угол падения на границе раздела меньше критического угла падения (Луч 2), то при каждом внутреннем отражении часть энергии рассеивается наружу, что приводит к затуханию света.

Необходимо учесть, что свет вводят в торец волокна, При этом на боковую поверхность волокна будет падать луч, преломлённый его торцом. И падать он должен так, чтобы полностью отражаться от боковой поверхности. Возникает вопрос, под каким же углом надо вводить луч в волокно?

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец ОВ, так как ОВ пропускает лишь свет, заключённый в пределах телесного угла θ_A. Этот телесный угол характеризуется апертурой.

Апертура – это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Угол ввода светового потока в оптическое волокно должен быть меньше апертурного.

Таким образом, апертура световода – это максимальный возможный угол ввода лучей на торец световода. Обычно пользуются понятием числовой апертуры:

NA = n₀ · Sin θ _A.(2.3)

Для воздуха n₀ = 1. Для волокна со ступенчатым профилем значение числовой апертуры выражается через показатели преломления:

NA = Sin θ _A = (2.4)

Для кварца n₁ ≈ 1,47, n₂ ≈ 1,46, NA = 0,17, θ _A ≈ 10⁰.

Один из важнейших параметров, характеризующий волокно, это – относительная разность показателей преломления Δ

Δ = (2.5)

В волоконном световоде могут существовать три типа волн – направляемые, излучаемые и вытекающие. Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Энергия направляемых лучей не рассеивается наружу, и такие лучи могут распространяться на большие расстояния. Излучаемые волны возникают за счёт лучей, введённых вне апертуры, и уже вначале линии они излучаются в окружающее пространство. Вытекающие волны (лучи оболочки) частично распространяются вдоль световода, а часть излучается в окружающее пространство.

В современных волокнах обычно показатель преломления оболочки n₂ меньше n₁ (показателя преломления сердцевины) на 0,36%, то есть:

Режим работы ОВ зависит от нормированной частоты , значение которой рассчитывается по формуле:

(2.6)

где а_с - радиус сердцевины ОВ.

В случае, если < 2.405 - то в волокне будет распространяться только одна мода (одномодовый режим). С увеличением значения нормированной частоты число распространяющихся мод в ОВ возрастает, т. е, при > 2,405 - режим многомодовый.

В случае, если: 2.405 < < 3,832 – то в ОВ распространяется 4 моды.

Минимальная длина волны, при которой в волокне распространяется только одна мода, называется волоконной длиной волны отсечки, значение которой определяется из выражения как:

(2.6)

Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света.

Типы оптических волокон

Некоторые свойства оптического волокна как световода напрямую зависят от диаметра сердцевины. По этому параметру оптоволокно делится на две категории:

многомодовое (MMF) и одномодовое (SMF).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные.

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна или стандартные волокна (SF), на волокна со смещённой дисперсией (DSF), и на волокна с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF).

Многомодовое оптоволокно.

У этой категории оптоволокна диаметр сердцевины относительно большой по сравнению с длиной волны света, излучаемого передатчиком. Диапазон его значений составляет 50--1000 мкм при используемых длинах волн около 1 мкм. Однако наиболее широкое распространение получили волокна с диаметрами 50 и 62,5 мкм. Передатчики для такого оптоволокна излучают импульс света в некотором телесном угле, т. е. лучи (моды) входят в сердцевину под разными углами. В результате лучи проходят от источника к приемнику неравные по длине пути и, следовательно, достигают его в разное время. Это приводит к тому, что ширина импульса на выходе оказывается больше, чем на входе. Такое явление называется межмодовой дисперсией. В ступенчатом ОВ, более простом для изготовления, коэффициент преломления изменяется ступенчато на границе сердцевины с оболочкой. Ход лучей в таком волокне показан на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Ход лучей света в волокне

 

В градиентном ОВ коэффициент преломления плавно понижается от центра границе. Лучи света, пути которых проходят в периферийных областях с меньшим коэффициентом преломления, распространяются быстрее, чем те, которые проходят вблизи центра, что в итоге компенсирует разницу в длинах путей. В таком оптоволокне эффект межмодовой дисперсии намного ниже, чем в ступенчатом (рисунок 2.3).

Уширение сигнала устанавливает предел числу передаваемых в секунду импульсов, которые все еще могут быть безошибочно распознаны на принимающем конце канала. Это, в свою очередь, ограничивает полосу пропускания многомодового волокна.

 

 

Рисунок 2.4 – Конструкции различных волокон

 

Очевидно, что величина дисперсии на приемном конце зависит также и от длины кабеля. Поэтому пропускная способность для оптических магистралей определяется на единицу длины. Для оптоволокна со ступенчатым профилем коэффициента преломления она в типичном случае составляет 20-30 MГц на километр (MГц/км), в то время как для градиентных ОВ она находится в диапазоне 100-1000 MГц/км.

Многомодовое оптоволокно может иметь стеклянный стержень и пластиковую оболочку. Такому оптоволокну присущи ступенчатый профиль коэффициента преломления и полоса пропускания 20-30 MГц/км.
Одномодовое оптоволокно

Основным отличием такого волокна, во многом определяющим его свойства как световода, является диаметр сердцевины. Он составляет всего от 7 до 10 мкм, что уже сравнимо с длиной волны светового сигнала. Малая величина диаметра позволяет сформировать только один луч (моду), что и нашло отражение в названии (рисунок 2.4).

Достоинства многомодовых ОВ по сравнению с одномодовыми:

1) Из-за большого диаметра сердцевины многомодового ОВ снижаются требования к источникам излучения, так как для ввода излучения могут применяться более дешевые и вместе с тем более мощные полупроводниковые лазеры, и даже светодиоды. Для электропитания светодиодов применяют очень простые схемы, что упрощает устройство, и уменьшает стоимость ВОСП.

2) В приемном оптическом модуле могут применяться фотодиоды с большим диаметром фоточувствительной площадки. Такие фотодиоды имеют низкую стоимость.

3) При сращивании многомодовых ОВ требуемая точность совмещения торцов на порядок ниже, чем в случае сращивания одномодовых ОВ.

4) Оптические разъемы для многомодовых ОВ по тем же причинам имеют на порядок менее жесткие требования, чем оптические разъемы для одномодовых ОВ.

Недостатки многомодовых ОВ:

1) В многомодовых ОВ распространяются сотни мод, минимальное затухание имеют центральные моды и моды низких порядков, а с повышением порядка затухание мод увеличивается, в результате затухание многомодовых ОВ больше, чем одномодовых (от 0.6 до 5 дБ на км).

2) В процессе распространения импульсы света расплываются и даже начинают перекрывать друг друга. Такое уширение импульсов называется дисперсией.

Дисперсия многомодового ОВ много больше, чем одномодового. Чем меньше значение дисперсии, тем больше поток информации может быть передан по ОВ.

Вывод: Повышенное затухание и малая полоса пропускания являются причиной того, что на основе многомодовых ОВ строятся, главным образом, местные, локальные и внутриобъектовые относительно низкоскоростные ВОСП.

Достоинства одномодовых ОВ:

1) Малое затухание (от 0,22 до 0,35 дБ/км)

2) Небольшая дисперсия, а значит, широкая полоса пропускания.

Вывод: Одномодовые ОВ применяют в подавляющем большинстве современных ВОСП, работающих чаще всего на базе аппаратуры SDH, благодаря чему имеется возможность создавать высокоскоростные высоконадежные магистральные и местные цифровые сети.

Волоконные световоды характеризуются двумя важнейшим параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери), и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше расстояние между повторителями (длина регенерационного участка). Кроме того, дисперсия приводит к ограничению полосы передачи по световоду.