Оптическое волокно и особенности распространения светового потока в оптическом волокне

Важнейшим компонентом ВОСС является оптическое волокно. В большинстве случаев оно изготавливается из стекла (SiO₂ Si- кремний, О₂ - кислород), содержащего различные добавки. Эти добавки вводятся для того, чтобы контролировать показатель преломления стекла. Большинство волокон имеют цилиндрическую форму, с показателем преломления n_c сердцевины немного большим показателя преломления оболочки n₀. Профиль такого волокна показан на рисунке 3.54

Рис.3.54 Структура оптоволокна

Различают волокна ступенчатые и градиентные. Профили показателей преломления ступенчатого и градиентного волокон показаны на рисунке 3.55

Рис. 3.55 Профили показателей преломления ступенчатого и градиентного волокон

Показатель преломления n(r) для ступенчатого волокна

,

показатель преломления градиентного волокна

,

где .

Коэффициент a для различных волокон с различными добавками равен a»2

Одномодовое волокно обычно имеет радиус сердцевины а порядка одной длины волны l=1,2¸1,6 мкм.

Многомодовое волокно – это волокно, радиус сердцевины а которого значительно превышает одну длину волны l и обычно составляет 25¸50 мкм.

В многомодовом волокне могут распространяться сотни и тысячи мод. При этом каждая мода обладает своей собственной групповой скоростью, что в итоге может приводить к расширению короткого светового импульса передаваемого по оптическому волокну и, следовательно снижает количество передаваемой информации, т.е. снижает пропускную способность. Это явление называют дисперсией мод. Для снижения дисперсии мод вводят волокно с градиентным показателем преломления (градиентное волокно), в котором разница в групповых скоростях компенсируется и все моды имеют приблизительно одинаковую групповую скорость.

Повысить пропускную способность ВОСС можно также используя одномодовое ступенчатое волокно, но их, из-за малых размеров сердцевины 0»l»1,2 мкм, трудно сращивать.

Распространение света по оптическому волокну можно схематично представить как показано на рисунке 3.56

Рис. 3.56Распространениесвета по оптическому волокну

Пусть q_M- максимальный угол ввода световых лучей в оптическое волокно. Тогда q¢_M- это критический угол, выходя за который лучи света не будут собираться в пучок. На основе законов преломления световых лучей на границах воздух-волокно и сердцевина-оболочка получим

,

решая совместно эти уравнения имеем

,

где NA –числовая апертура волокна. Поскольку разница между показателем преломления сердцевины n_с и оболочки n₀ обычно очень мала, можно записать

,

где

Если допустить, что , то видно, что величина (числовая апертура) NA представляет собой максимально допустимый угол, в пределах которого все лучи будут введены в волокно. Например, для NA=0,2 максимально допустимый угол равен 11° градусов. Все лучи, образующие с центральной осью углы больше максимально допустимого, соответствуют модам высших порядков и распространяются по более длинным путям, чем те лучи, которые распространяются вдоль центральной оси. В градиентном волокне, за счет введения специальных добавок к стеклу, скорость лучей, распространяющихся не вдоль центральной оси, увеличивается и в результате разница во времени прохождения лучей будет незначительна т.е. проходит выравнивание скоростей различных мод и снижение дисперсии мод.

В процессе прохождения световых лучей по оптическому волокну могут возникать различные эффекты, влияющие на пропускную способность на волокна:

1. Расширение светового импульса за счет дисперсии мод в многомодовом оптическом волокне. Это межмодовое расширение импульса. Об этом мы с вами уже говорили.

2. В многомодальном оптическом волокне из-за его нерегулярности имеет место случайная связь различных мод, что оказывает существенное влияние на форму светового импульса, проходящего по этому волокну, поскольку в случае связей между модами происходит частичная передача энергии между ними и общая энергия импульса снижается. При этом за счет снижения мощности происходит сужение светового импульса.

3. Расширение светового импульса за счет дисперсии материала (стекла), из которого сделано оптическое волокно или за счет неоднородности его структуры. Это внутримодовое расширение импульса.

4. Рассеяние и поглощение энергии в оптическом волокне. Это явление присуще всем видам стекол, т.е. все оптические материалы имеют дефекты, которые рассеивают или поглощают свет по мере его распространения на большие расстояния.