Профили волоконных световодов

Если рассматривать показатель преломления n волоконного световода как функцию радиуса r, то используется термин профиль распределе­ния показателя преломления. С его помощью описывается радиальное изменение показателя преломления от оси волокна в стекле сердцеви­ны в направлении стекла оболочки:

Распространение мод в волоконном световоде зависит от формы этого профиля распределения показателя преломления (рисунок 1).

Для практического применения важными являются "профили распре­деления показателя преломления, описываемые по степенному закону" (степенные профили). Под ними понимаются профили показателя пре­ломления, у которых кривая изменения по радиусу описывается как степенная функция радиуса:

Нормированная разность показателей преломления соотносится с чи­словой апертурой NA или показателями преломления n₁, и n₂, следую­щим образом:

, для r < a в сердцевине

, для в оболочке

Где:

n₁ – показатель преломления вдоль оси оптического волокна;

∆ – нормированная разность показателей преломления;

r – расстояние от оси оптического волокна, мкм;

а – радиус сердцевины оптического волокна, мкм;

g – показатель степени профиля;

n₂ – показатель преломления оболочки

Отметим следующие особые случаи (рисунок 1):

g = 1 треугольный профиль

g = 2 параболический профиль

g = ∞ ступенчатый профиль (предел величины g - бесконечность).

Лишь в последнем случае - при ступенчатом профиле - показатель пре­ломления n(r) = n, в стекле сердцевины остается постоянным. Для всех других профилей показатель преломления n(r) в стекле сердцевины по­степенно увеличивается от величины и, для стекла оболочки до вели­чины n, у оси волоконного световода.

Поэтому такие профили называются градиентными профилями рас­пределения показателя преломления. Это название особенно хорошо закрепилось за параболическим профилем, имеющим g = 2, так как оп­тические волокна с таким профилем имеют технически очень хорошие характеристики передачи света.

Другой важной величиной для описания волоконного световода являет­ся структурный параметр или нормированная частота V. Она зави­сит от радиуса а сердцевины, числовой апертуры NA стекла сердцеви­ны и длины волны λ или волнового числа k света. Нормированная час­тота является безразмерной величиной:

Рисунок 1.- Профили показателей преломления.

Число N мод, распространяемых в стекле сердцевины, зависит от этого параметра и для любого профиля показателя преломления, описывае­мого по степенному закону, при показателе степени профиля g прибли­зительно равно

Число мод при ступенчатом профиле показателя преломления (g=∞) приблизительно равно

Для градиентного профиля показателя преломления (g=2) число мод равно

1 Ступенчатый профиль распределения показателя преломления

Для того чтобы свет направлялся в стекле сердцевины волоконного све­товода со ступенчатым профилем показателя преломления благодаря полному внутреннему отражению, необходимо иметь показатель пре­ломления n₁, стекла сердцевины немного больше показателя преломле­ния n₂ стекла оболочки на границе раздела двух стеклянных сред.

Рисунок 2 – Световод со ступенчатым профилем показателя преломления

Если показатель преломления n, одинаков по всему поперечному сечению сердцевины, то тогда говорят, что показатель преломления имеет сту­пенчатый профиль, так как при переходе от стекла оболочки к стеклу сердцевины показатель преломления возрастает ступенеобразно и ос­тается там неизменным. На рисунке 2 приведены ступенчатый профиль показателя преломления волоконного световода, а также распростране­ние луча света с соответствующими углами.

Такой волоконный волновод называется световодом со ступенчатым профилем показателя преломления или ступенчатым световодом.

2. Градиентный профиль распределения показателя преломления

В многомодовом ступенчатом световоде моды распространяются по оптическим путям различной длины и поэтому приходят к концу свето­вода в разное время. Эта нежелательная модовая дисперсия может быть значительно уменьшена, если показатель преломления стекла сердце­вины уменьшается параболически от максимальной величины n₁, у оси световода до величины показателя преломления n₂, на поверхности раз­дела с оболочкой. Такой градиентный профиль показателя преломле­ния или профиль показателя преломления, описываемый по степенно­му закону, с показателем степени профиля g = 2 характеризуется урав­нениями

, для r < a в сердцевине

, для в оболочке

Оптический волновод с таким градиентным профилем показателя пре­ломления также называется градиентным волоконным световодом.

Рисунок 3 – Световод с градиентным профилем показателя преломления

Лучи света проходят по оптическому волокну по волно- или винтооб­разным спиральным траекториям. В противоположность ступенчатому профилю показателя преломления, они распространяются уже не зиг­загообразно. Вследствие непрерывного изменения показателя прелом­ления п(г) в стекле сердцевины лучи непрерывно преломляются, и по­этому их направление распространения меняется, за счет чего они рас­пространяются по волновым траекториям.

3. Условия ввода света

Способ ввода света в волоконный световод является очень важным фа­ктором для дальнейшего распределения световой мощности в нем, так как в многомодовом волоконном световоде мощность введенного им­пульса света распределяется по отдельным модам. В одномодовом све­товоде свет частично вводится в фундаментальную моду, а частично излучается. В зависимости от условий возбуждения мод при вводе све­та в одно- или многомодовые световоды световая мощность будет на­правляться в них по-разному.

Многомодовые волоконные световоды

Во время полного возбуждения вся сердцевина световода заполняется светом, при этом возбуждаются все направляемые моды высшего и низшего порядков, а также моды утечки. Так как эти моды имеют различную степень затухания вдоль световода и, кроме того, вызывают смешение мод из-за обмена энергией, то при изменениях следует ожидать различное распределение световой мощности и временные задержки мод в зависимости от длины волоконного свето­вода. Поэтому характеристики на конце многомодового световода зави­сят от условий ввода света в начале (совершенно независимо от того, полное ли это возбуждение или нет) и от смешения мод вдоль траекто­рии их распространения.

4. Затухание

Свет по мере распространения в световоде затухает, т.е. теряет энергию. Эти потери при прохождении по волоконному световоду должны быть минимальными для того, чтобы можно было покрывать большие расстояния без установки ретрансляторов. Затухание волоконного световода является важным фактором при проектировании кабельных се­тей для передачи информации. Оно обусловливается главным образом физическими процессами - поглощением и рассеянием.

Величина потерь света зависит, в числе прочих причин, от длины вол­ны вводимого света. Поэтому полезно измерять затухание в световоде как функцию длины волны (спектрально) для того, чтобы определить диапазон длин волн с малым затуханием, пригодным для оптической связи.

В то время, как процесс поглощения происходит только при определен­ных длинах волн, так называемых полосах поглощения, например, поглощение при длине волны 1390 нм, потери света из-за рассеяния имеют место при всех длинах волн. Так как рассеяние в световоде обуславливается флуктуациями плотности (неоднородностями) с размера­ми, которые, как правило, меньше длины волны света, для объяснения этого процесса можно с хорошим приближением использовать закон рассеяния Рэлея. Он гласит, что по мере увеличения длины волны А, по­терей из-за рассеяния а убывают пропорционально длине волны А, в четвертой степени.

Сравнивая потери из-за рассеяния, например, для длин волн 850 нм, 1300 нм и 1550 нм, которые важны для оптических систем связи, вид­но, что потери из-за рассеяния при длине волны 1300 нм составляют лишь 18%, а при длине волны 1550 нм - лишь 9% от величины потерь при длине волны 850 нм. Поэтому эксплуатация оптико-волоконных кабелей на этих длинах волн более предпочтительна.