Волоконно – оптические линии связи.
Лекция № 25.
Принцип действия волоконных световодов. Изобретение в 1959... 1961 гг. когерентных лазерных источников света положило начало разработкам оптических линий связи, где переносчиком сообщений являются световые волны. Однако характеристики атмосферы, которая сначала использовалась в качестве среды распространения, оказались неподходящими для высоконадежных систем связи из-за большого ослабления в дождь, туман, снегопад и т. д. Было предложено для световых волн 15-го диапазона с частотами 1014... 1015 Гц (диапазон длин волн 0,5... 10,6 мкм) создавать специальные направляющие системы — световоды. Наиболее перспективными из них оказались диэлектрические волноводы, или волокна, как их называют из-за малых поперечных сечений.
Простейший световод представляет собой тонкое волокно цилиндрической формы, которое состоит из сердечника, оболочки и внешнего покрытия. По сердечнику передается электромагнитная энергия в виде световой волны, поэтому его изготавливают из материала с наименьшими оптическими потерями (кварц, многокомпонентные стекла). Оболочка предназначена для создания лучших условий отражения на границе сердечник — оболочка и уменьшения излучения энергии в окружающее пространство. В оболочке можно допустить большие потери, поэтому ее изготавливают из стекла или из пластика. Для защиты от внешних воздействий (световых, механических) на оболочку световода наносится полимерное покрытие. Поперечное сечение волокна и распределение показателя преломления показаны на рисунке.
Поперечные сечения и распределения показателей преломления
волоконных световодов:
а – двухслойный световод; б – градиентный световод
В зависимости от характера изменения различают два типа световодов: ступенчатые и градиентные. Ступенчатые световоды (рис. а) имеют постоянное по радиусу значение показателя преломления, ступенька изменения наблюдается на границе сердечник— оболочка. В градиентном световоде (рис. б) показатель преломления плавно изменяется от центра к краю сердечника. Распространение лучей в этих двух типах световодов различное. Рассмотрим этот процесс более подробно.
Пусть в центр торца ступенчатого световода падает луч под некоторым углом к его оси. По законам геометрической оптики на границе сердечник — оболочка будут падающий луч с углом отраженный с углом и преломленный с углом. Преломленный луч в свою очередь претерпевает такое же отражение в точке В на границе оболочка — покрытие. Следовательно, в световоде могут существовать три вида лучей (волн): сердечника 1, оболочки 2, излучения 3. Для эффективного распространения и предотвращения перехода энергии в оболочку.
Ход лучей в ступенчатом световоде.
Режим полного внутреннего отражения соблюдается, если на входной торец световода подавать световой луч в пределах телесного угла Оа- Этот телесный угол 6а между оптической осью световода и одной из образующих светового конуса, в пределах которого соблюдается полное внутреннее отражение луча, называется апертурой. Для характеристики световода обычно пользуются числовой апертурой
От значения числовой апертуры зависят эффективность ввода излучения в световод, потери на микроизгибах и другие параметры световода.
В градиентном световоде лучи не отражаются, как в случае световода со ступенчатым профилем, а изгибаются в направлении градиента показателя преломления. Вследствие этого лучи, находящиеся внутри апертурного угла, распространяются в сердечнике по волнообразным траекториям. При угле входа с торца в сердечник больше апертурного будут существовать также лучи оболочки 2 и излучения 3. Характерной особенностью градиентных световодов являются меньшие искажения передаваемых сигналов.
Типы волн (моды) в световоде. Рассматривая световод как диэлектрический волновод и учитывая волновые свойства света, было установлено, что из всей совокупности световых лучей в пределах апертурного угла для заданного световода только ограниченное число лучей с дискретными углами может образовывать направляемые волны определенного типа, которые называют также волноводными модами. Физически это явление можно объяснить интерференцией волн с различными путями про хождения. Существующие в световоде моды характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений на границе сердечник — оболочка лучи приходят в фазе и складываются арифметически. Для других углов фазовые условия не выполняются, поэтому волны интерферируют так, что гасят друг друга.
Ход лучей в градиентном световоде:
1 — волна сердечника; 3 — волна оболочки; 3 — волна излучения.
В световоде круглого сечения, как в круглом диэлектрическом волноводе, могут существовать смешанные волны типа НЕ или ЕН. Основная из них НЕ. Каждая мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.
В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) световоды разделяют на одномодовые и много-модовые. Число мод зависит от соотношения между диаметром сердечника а и длиной рабочей волны. Одномодовые световоды имеют электрические характеристики лучше многомодовых. Однако из-за малого диаметра сердечника волокна менее надежны и имеют большие потери при вводе луча в световод. Число мод в градиентном световоде примерно в 2 раза меньше, чем в двухслойном ступенчатом тех же геометрических размеров и с теми же значениями. Лучшими являются и электрические характеристики градиентных световодов.