Глава_5

11

также количество мод, поддерживаемое волокном.

Следует заметить, что приведенный выше анализ можно использовать только в случае слабонаправляющих ступенчатых волокон. Более строгое описание процессов распространения излучения в волокнах можно найти в литературе.

5.2. Многомодовые и одномодовые оптические волокна.

По количеству распространяющихся мод оптические волокна делятся на одномодовые и многомодовые. В свою очередь по профилю показателя преломления многомодовые волокна разделяются на ступенчатые (рис.5.6,а) и

градиентные (рис.5.6,б). Используя принцип геометрической оптики рассмотрим вначале ступенчатые многомодовые волокна (рис.5.6а).

Рис. 5.6 Многомодовые и одномодовое волокна Ступенчатым называется оптическое волокно, профиль показателя

преломления в котором при переходе от сердцевины к оболочке изменяется ступенчато (скачком).

Из теории ОВ известно, что при условии V 2.405, оптическое волокно является многомодовым. При больших значениях нормированной частоты в ОВ будет существовать большое количество мод. Количество мод N при конкретном значении V (при условии, что V >>2.405) определяется как

Рис.5.7 Числовая апертура оптического волокна.

Числовая апертура является важным параметром волокна. В частности,

NA входит в соотношения, определяющие эффективность связи оптического источника с волокном, а также потери в разъемных и неразъемных соединениях.

Различают два вида числовой апертуры – расчетную и эффективную.

Расчетная числовая апертура определяется соотношением (5.13).

интенсивность излучения с увеличением угла постепенно уменьшается,

поэтому эффективная числовая апертура не равна расчетной, а определяет тот угол, в котором сосредоточено 90% выходной мощности. Типичные значения

14

согласно принципу геометрической оптики в ступенчатом ОВ оптический луч

идет по ломанной линии, то в градиентном он описывает плавную кривую.

Если в ступенчатом ОВ различные лучи проходят различный геометрический и

оптический путь (т.к. n1=const), то в градиентном ОВ - луч, введенный под

различных лучей различен, но их времена распространения выравниваются,

т.к. луч, идущий дальше от сердцевины, идет в области с меньшим показателем преломления.

показатель профиля. При q = 2 профиль показателя преломления описывается

апертуре. Число мод в них вдвое меньше, чем в аналогичных ступенчатых.

то в ОВ может поддерживаться только одна мода. Такие ОВ являются

одномодовыми (рис. 5.6в). Одномодовый режим достигается прежде всего

ОВ перестает быть одномодовым. Длина волны, удовлетворяющая условию

(5.16) определяет параметр одномодового ОВ, называемый критической длиной волны (длиной волны отсечки).

В одномодовых волокнах существенная часть оптического излучения содержится в оболочке за пределами сердцевины, и, как правило, диаметр сердцевины ОВ не совпадает с «размером» поля оптического излучения в волокне. Но в ряде случаев необходимо знать диаметр оптического поля,

потому что эта величина важна для оценки потерь из-за изгибов и потерь при соединении.

Поэтому второй важный параметр одномодового ОВ – размер (диаметр)

поля моды dмод.

Поперечное распределение оптического поля одномодового волокна обычно аппроксимируют гауссовой кривой вида

где rмод - фактический радиус поля моды.

Поэтому на практике размер поля моды dмод определяют по ширине гауссовой кривой распределения поперечного поля по уровню 1 е (0.369) от максимума. Этот параметр обычно определяют экспериментально.

Одномодовые волокна, как и многомодовые могут быть ступенчатые и градиентные, а также иметь более сложный профиль показателя преломления.

На рис.5.6 указаны типовые поперечные размеры сердцевины и оболочки

16

многомодовых и одномодовых волокон.

5.3. Информационная емкость оптического волокна. Виды дисперсии.

Важными параметрами волокна как среды, в которой распространяется информационный сигнал, являются: информационная емкость (полоса пропускания ОВ) и энергетические потери (уменьшение мощности оптического сигнала по мере прохождения его по волокну).

Оценим вначале потенциальные возможности волокна с точки зрения его максимальной полосы пропускания. Длина волны и частота оптического излучения связаны между собой соотношением = с/ , где с - скорость света

(3 108 м/с). Дифференцируя по , получаем d /d = -c/ 2 . Следовательно,

диапазону длин волн соответствует диапазон частот , который определяется как

= c / 0 2 .

Определим этот параметр для двух основных рабочих длин волн - 0 =

1300 нм и 0 = 1550 нм, на которых работают ВОСП. На 1300 нм при = 40 нмсоставляет 7 ТГц (7 1012 Гц), на 1550 нм при = 40 нм составляет

5 ТГц. Наиболее перспективным в системах связи является спектральный диапазон вблизи 0 = 1550 нм, поскольку в этом диапазоне достигается минимальное затухание сигнала (порядка 0,2 дБ/км). Несмотря на высокие потенциальные возможности волокна, реализовать передачу одного цифрового потока, занимающего всю полосу пропускания, т.е. имеющего скорость 5-10

Тбит/с, по крайней мере в настоящее время, невозможно. Однако есть другое эффективное решение, которое заключается в разделении всей полосы на отдельные каналы значительно меньшей емкости и параллельную передачу информации по этим каналам.

Другое ограничение информационной емкости при передаче одного информационного канала по ОВ связано с явлением дисперсии. По оптическому волокну в реальной системе передается чаще всего цифровой сигнал в виде

17

последовательности коротких оптических импульсов. Однако известно, что при подаче на вход протяженного ОВ короткого оптического импульса

(например, длительностью доли наносекунд), длительность выходного импульса увеличивается по сравнению с входным (рис. 5.8). Это может привести к наложению соседних импульсов друг на друга и возникновению ошибок в информационном сигнале.

Причиной увеличения длительности импульса служит явление

дисперсии групповой скорости, в дальнейшем дисперсии, которое состоит в том, что различные составляющие оптического сигнала проходят ОВ за разное время. Различными составляющими могут быть отдельные моды волокна,

которые, как было показано выше, имеют различные геометрические пути.

Спектральные составляющие оптического излучения в материале волокна имеют различные скорости, что при конечной ширине спектра оптического источника также приводит к увеличению длительности импульса.

Дисперсия имеет размерность времени и в первом приближении может быть определена следующим соотношением

tвых 2 tвх 2 ,

где tвых, tвх –длительность оптического импульса на выходе и входе оптического волокна длиной L, соответственно.

Рис. 5.8 Искажение формы импульса при распространении по оптическому волокну.

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пС/км.

Дисперсия в общем случае характеризуется следующими основными факторами, рассматриваемыми ниже:

- свойствами материала оптического волокна - материальной дисперсией м, - направляющими свойствами оптической структуры - волноводной

19

волны материальная дисперсия для кварца меняет знак (рис. 5.9, зависимость

1). На = 1.27 мкм в кварцевом оптическом волокне отсутствует материальная дисперсия, что позволяет сделать вывод, что принципиально можно изготовить волокно с нулевой дисперсией. В дальнейшем будет видно, что волноводная дисперсия в ОВ сдвигает минимум полной дисперсии в более длинноволновую область.

Обычно используют понятие удельной материальной дисперсии,

обозначаемой как Dм. Это дисперсия в ОВ длиной 1 км при ширине спектра оптического источника = 1 нм. Величина удельной материальной дисперсии в кварцевом волокне (n = 1.48) на = 0.85 мкм составляет - –86.3 пС (нм км) ,

на = 1.55 мкм - + 15.5 пС (нм км).

Волноводная дисперсия. В области низких значений материальной дисперсии ( 1.27 мкм) преобладающей становится волноводная дисперсия. В

одномодовых коротковолнового диапазона и многомодовых волокнах обычно пренебрегают этим видом дисперсии. Волноводная дисперсия – зависимость постоянной распространения оптического излучения ( а значит и его скорости)

от отношения а .

Задержка оптического сигнала , вызванная волноводной дисперсией,

определяется как

Используя (5.3) , получим соотношение для постоянной распространения

в виде