|
|
ВОЛС. Оптическое волокно Сандугаш. Волоконнооптические
1.1.7. Затухание оптического волокна По мере распространения света в оптической среде он, как известно, ослабевает, что носит название затухания среды, или в случае оптических волокон — затухания ОВ. Степень такого ослабления определяется коэффициентом затухания а, который в общем виде равен [З]  (1.58) где  - коэффициенты затухания, обусловленные потерями на поглощение и рассеивание световой энергии соответственно;  коэффициент затухания, вызванный присутствующими в ОВ примесями;  дополнительные потери за счет скрутки, деформации и изгибов ОВ при изготовлении ОК (их называют кабельными); потери на поглощение в инфракрасной области. Коэффициент затухания  , связанный с потерями на диэлектрическую поляризацию, существенно зависит от свойств материала ОВ ( ) и рассчитывается по формуле:  (1.59) где n — показатель преломления; tg  — тангенс угла диэлектрических потерь в сердцевине ОВ. Коэффициент затухания  , с одной стороны, обусловлен неоднородностями материала ОВ, расстояние между которыми меньше длины волны, а с другой —- тепловыми флуктуациями показателя преломления. Потери на рассеивание часто называются рэлеевскими, и они определяют нижний предел потерь, который с увеличением длины волны уменьшается согласно выражению  (1.60) где  - коэффициент рассеивания, который для кварца равен 0,8 мкм  Коэффициент затухания  связан с наличием в ОВ посторонних примесей, приводящих к дополнительному поглощению оптической мощности. Такими примесями являются ионы металлов (никель, желе- и зо, кобальт и др.) и гидроксидные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания аи.) на определенных длинах волн. Коэффициент затухания определяется деформацией ОВ в процессе изготовления кабеля вызванной скруткой, изгибом, отклонением от прямолинейного  Рис. 1.7. Составляющие потерь энергии в ОВ расположения и термомеханическими воздействиями, шиеющрши место при наложении оболочек и покрытий на сердцевину волокна. Эти дополнительные потери в основном определяются процессами рассеивания энергии на неоднородности, так как приводят к излучению энергии в местах деформа- црш волокна и соответственно к возрасташцо потерь. Коэффициент затухания  зависит от длины волны оптического излучения и за счет поглощения в инфракрасной области возрастает в показательной степени с ростом длины волны  (1.61) где С и к — постоянные коэффициенты, равные, например, для кварца к= (О,7 … О,.9) 1О-6 м, С=0,9. На рис. 1.7 представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны, за исключением дополнительных кабельных потерь оък, которые всегда приводят к увеличению затухания ОВ И зависят от многих факторов. Как видно из графика, рэлеевское рассеивание ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение — в правой. Зависимости рэлеевского рассеивания, инфракрасного поглощения и коэффициента затухания, реальных ОВ с учетом потерь за счет поглощения и примесей приведены на рис. 1.8. Здесь также даны три окна прозрачности ОВ, из которых наименьшее затухание имеет место в третьем окне на длине волны  =1‚55 мкм. В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые ОВ, область эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галоидные, халькогенидные и фторидные стекла. По сравнению с кварцевыми волокнами они обладают  Рис. 1.8. Типовые характеристики ослабления ОВ большей прозрачностью и обеспечивают снижения потерь на несколько порядков. С появлением ОВ из новых материалов становится реальным создание ВОЛС без ретрансляторов. Известны проекты строительства подводной оптической линии через Атлантический океан протяженностью 6000 км без ретрансляторов, в которых анализируется возможность применения ОВ из тетрафторида, изиркония и фторида бериллия. 1.1.8. Дисперсия оптического волокна Другим важным параметром оптического волокна является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи инфор- мации. Дисперсия — это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ (рис. 1.9) и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ [2]:  (1.62) где значения  определяются на уровне половины амплитуды импульсов. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.  Рис. 1.9 Распространение излучения по ступенчатому и гради- ентному многомодовым и одномодовому ОВ Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направляемых мод, направляющими свойствами оптического волокна и параметрами материала, из которого оно изготовлено. В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовал дисперсия), а с другой стороны —- некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн  ( хроматическая дисперсия). Межмодовая дисперсия преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны я одинакова и равна  , скорость света, а L — длина волокна. Как было показано выше, в этом случае все лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси в пределах  , достигают приемного устройства с некоторым временным сдвигом, что, естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого импульса. Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траекторий изменяется - так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а удаленных — естественно, больше. Следовательно, лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время распространения лучей выравнивается и увеличение длительности импульса становится меньше. Так как межмодовая дисперсия не зависит от характеристик источника излучения, для многомодовых волокон ее оценивают по полосу пропускания. ОВ (МГц-км). Согласно геометрической интерпретации распространения оптичес- ких лучей по ОВ, время распространения луча зависит от угла Нд и, как было показано выше, определяется выражением  Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при  =0, а максимальное при  соответствующие им значения времени распространения можно записать как  откуда значение межмодовой дисперсии равно  Из последнего выражения следует, что межмодовая дисперсия возраcтает с увеличением длины волокна. Однако это справедливо только для идеального волокна, в котором взаимодействие между модами отсутствует. В реальных условиях наличие неоднородностей, кручение и изгиб волокна приводят к постоянным переходом энергии из одних мод в другие — взаимодействию мод, в связи с чем дисперсия становится пропорциональной Это явление проявляется не сразу, а после определенного расстояния прохождения световой волны, которое носит название длины установившейся связи мод. Это значение принимается равным 5 - 7 км для ступенчатого волокна и 10 - 15 км — для градиентного и установлено эмпирическим путем. В градиентных многомодовых волокнах время распространения оптических лучей, как было показано выше, определяется законом изменения показателя преломления и при определенных условиях выравнивается, что, естественно, влечет к уменьшению дисперсии. Так, при параболическом профиле показателя преломления о=2 значение межмодовой дисперсии будет определяться выражением  (1.64) а при  она достигает минимального значения, равного  (1.65) Отличие времени распространения каждой из направляемых мод, образующих сигнал, от частоты спектра источника излучения приводит к возникновению так называемой хроматической (частотной) дисперсии, которая, в свою очередь, складывается из внутри-модовой (волноводной) дисперсии и материальной дисперсии. Первый тип дисперсии обусловлен направляющими свойствами сердце- виных ОВ, а именно зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому внутримодовая дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра излучения источника , т. е.  (1.66) где  — удельная внутримодовая дисперсия. Второй тип дисперсии вызван зависимостью показателя преломления сердцевины от длины волны  , что, как и в предыдущем случае, приводит к различным ‘скоростям распространения спектральных составляющих источника излучения. Возникающая при этом различная задержка частотных составляющих распространяющегося в ОВ излучения определяет дисперсию материала, которая равна  (1.67) Здесь следует отметить, что материальная дисперсия кварцевого ОВ при определенной частоте имеет нулевое значение, так как при длине волны =1,28 мкм она изменяет свой знак. Эта точка носит название точки нулевой материальной дисперсии. Очевидно, что, изменяя соотношение между модовой и материальной дисперсией, точку нулевой дисперсии можно перемещать в небольших пределах (рис.1.10). В общем виде дисперсия на участке волокна длиной А будет равна   , (1.68) где  расширение импульса на выходе ОВ относитель- но импульса, поданного на его вход, имеющее место в результате меж- модовой и хроматической дисперсии соответственно. В нормальных условиях материальная дисперсия преобладает над волноводной, причем обе ее составляющие могут иметь противополож- зооо ный знак и различаться характером т, зависимости от длины волны. В ряде случаев это позволяет оптимизировать профиль показателя преломления волокна путем минимизации суммарной дисперсии на определенной длине волны за счет взаимной компенсэции материальной и волноводной и результирующей дисперсии от для кварцевых ОВ минимум затухания соответствует длине волны 1,55 мкм и при больших скоростях передачи дальность связи на этой длине волны может ограничиваться дисперсией, поэтому для ее снижения осуществляется выбор соответствующего профиля показателя преломления ОВ.  Рис. 1.10. Зависимость материальной, волноводной и результирующей дисперсии от длины волны Так как хроматическая дисперсия зависит от длины световой волны и, следовательно, от ширины спектра источника оптического излучения, она нормируется в пс/(нмкм). В качестве примера на рис. 1.11 представлены зависимости хроматической дисперсии и ее составляющих от длины волны для различных типов профиля показателя преломления одномодовых ОВ. Как следует из данного рисунка, обычное одномодовое волокно не обеспечивает малой дисперсии для =1‚55 мкм, поэтому были разработаны ОВ со смещенной (Dispersion Shifted) или сглаженной (Dispersion Flattened) дисперсией, которые отличаются конфигурацией профиля показателя преломления. В результате исследований волокон со смещенной дисперсией было показано, что наилучшие показатели обеспечивают волокна с треугольным профилем, так как они обладают самофокусирующими свойствами и удерживают распространяющиеся лучи в небольшом объеме, прилегающем к оси ОВ. Так как оптические волокна со смещенной дисперсией обеспечивают минимальную дисперсию только на одной длине волны, это затрудняет применение мультиплексирования для работы на нескольких оптических весущих в окне прозрачности ОВ. Поэтому с целью минимизации дисперсии во всем окне прозрачности используют волокна со сглаженной дисперсией, которые также выполняются с различными профилями показателей преломления. Рис.1.11. Зависимость дисперсии от длины волны оптического излучения одномодовых ОВ Существует множество типов профилей показателей преломления одномодовых оптических волокон, которые, помимо требуемой минимизации хроматической дисперсии, обеспечивают также необходимые механические характеристики, минимизацию рэлеевских потерь, технологичность производства и прокладки ОВ и т. д. Сравнивая различные ОВ по их дисперсионным характеристикам, можно отметить, что лучшими в этом плане являются одномодовые волокна и градиентные волокна с плавным законом изменения показателя преломления, хотя градиентные волокна имеют худшие характеристики по сравнению с одномодовыми. 1.1.9. Двойное лучепреломление и виды поляризации Как было показано выше, векторы Напряженности электрического и магнитного поля электромагнитной волны лежат в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения, и периодически изменя- ются по величине и направлению. Для характеристики неравномерности распределения по направлению амплитуд колебаний этих векторов используется понятие поляризация электромагнитной волны (рис.1.12). Световая волна, у которой направление электрического вектора изменяется случайным образом. называется нелоляризованным светом. Примером такой световой волны является естественный свет.  Рис, 1.12. Линейная. круговая и эллиптическая поляризации световой волны Если излучение монохроматическое (имеющее постоянную частоту) и векторы колеблются с некоторой постоянной частотой, их можно представить в виде суммы двух взаимно перпендикулярных составляющих х и у ‚ причем если разность фаз колебаний по этим направлениям равна нулю или составляет  , где n целое число, то суммарный вектор колеблется в одной плоскости. Такой случай называют линейной поляризацией, а плоскость, перпендикулярную направлению колебаний (обычно магнитного вектора), -плоскостью поляризации. При разности фаз рассматриваемых колебаний, не равной пл ‚ конец вектора электрического поля описывает поверхность эллиптического цилиндра, в соответствии с чем поляризация носит название эллиптической поляризации. И, наконец, в случае, когда при равной амплитуде составляющих электромагнитного поля разность фаз составит  , эллиптический цилиндр становится круговым и соответственно будет иметь место круговая поляризация, которая по отношению к наблюдателю может быть левой или правой круговой поляризацией. Состояние поляризации оптического сигнала может быть определено путем измерения оптической мощности, переданной через специальные поляризационные фильтры, что требует разделения световой волны в пространстве или во времени. С этой целью обычно используют оптические вещества, имеющие различные коэффициенты преломления вдоль оси ориентации молекул (оптической оси) и в перпендикулярном к ней направлении, в результате этого при прохождении света сквозь такое вещество наблюдается явление двойного лучепреломления. Двойное лучепреломление определяется физической асимметрией показателя преломления, при которой световые волны, имеющие отличную поляризацию, распространяются с различной скоростью. Двойное лучепреломление, как и поляризация, может быть линейным или круговым двойным лучепреломлением, при этом большая часть устройств и волоконно-оптических компонентов использует линейное двойное лучепреломление. Для четко определенных структур, как, например, кварцевые кристаллы, при распространении сквозь них световой волны состояние поляризации и ее составляющих не изменяется, в связи с чем такие волны носят название собственных мод или быстрой и медленной волн. В то же время распространяющиеся в двулучепреломляющей среде собственные моды претерпевают замедление, выражаемое изменением дифференциальной фазы собственных мод и измеряемое числом волн или в градусах смещения фазы при заданной длине волны. Примером может служить замедлитель или волновая пластина, представляющие собой устройства, специально созданные для обеспечения предсказуемого смещения фазы. Если свет, входящий в вещество с двойным лучепреломлением, поляризован, например, в направлении, составляющем угол 45" с оптической осью, то, поскольку коэффициенты преломления для  и у составляющих электрического вектора световой волны различны, при выходе из вещества фазы колебаний этих векторов изменяются, а это приводит к изменению результирующей поляризации света. Так, если разность фаз составит 90“, входной линейно поляризованный свет на выходе вещества преобразуется в световое излучение с круговой поляризацией. Плоскопараллельную пластинку, обеспечивающую такую разность фаз, называют четвертьволновой пластинкой. При попадании луча света в вещество с двойным лучепреломлением под углом к оптической оси он делится на два луча: луч, не изменяющий направление распространения, — обыкновенный луч и луч, отклоняющийся в сторону, '— необыкновенный луч. Этот эффект называют аномальным преломлением. Очевидно, что поляризационные свойства веществ, характеризующихся двойным лучепреломлением, могут использоваться для преобразования поляризации, формирования оптического излучения с ‘необходимой поляризацией из световой волны с иной поляризацией, а также выделения или подавления световой волны заданной поляризации. |
|
|
Скачать 0.68 Mb.