Лекция 1 (1087440), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

а) б)

Рис.3. Планарные волноводы

(а) – несимметричный волновод; (б) – симметричный волновод.

Рассмотрим ход лучей в планарном волноводе

Рис. 4. Ход лучей в планарном волноводе

Распространение излучения в оптической волноводной структуре связано с явлением полного внутреннего отражения.

при α₂=90º

Угол относительно границы раздела двух сред, при котором происходит явление полного внутреннего отражения называется критическим углом.

Волновой вектор k – это вектор в направлении нормали к поверхности волнового фронта плоской монохроматической волны, введенной в планарный волновод, модуль волнового вектора равен kn₁.

Проекция волнового вектора на направление распространение оптической волны в волноводе называется постоянной распространения

.

В планарном волноводе могут возбуждаться только определенные типы волны, соответствующие определенным значениям угла _.­ Тип волны, который может возбуждаться в волноводе, называют волноводной модой.

Рис. 5. Моды плоского волновода. Распределение электрического поля.

Структура оптического волокна. Ввод излучения в волокно

Другим типом оптических волноводов является оптическое волокно (ОВ)

Рис. 5.Структура оптического волокна. Ввод излучения в волокно

По количеству распространяющихся направляемых мод ОВ делятся на одномодовые (SM) и многомодовые (MM).

Диаметр стандартных ОВ:

одномодовые: 7…9/125 мкм

многомодовые: 50/125 мкм; 62,5/125 мкм; 100/140 мкм.

Рабочие диапазоны длин волн 1,3 мкм; 1,55 мкм.

Важный параметр ОВ – волноводный параметр, или нормированная частота:

При V < 2,405 в ОВ может распространяться только одна мода.

Критическая длина волны или (длина волны отсечки)

При V > 2,405 ОВ становится многомодовым

По профилю ПП многомодовые ОВ разделяются на ступенчатые и градиентные. В градиентном волокне профиль ПП описывается параболой.

а) б)

Рис. 6. Профиль показателя преломления многомодовых ОВ

Число мод многомодовом волокне:

в ступенчатом ; в градиентном

Числовая апертура: для ступенчатого

, где

для градиентного ОВ

Важной характеристикой одномодового волокна является распределение модового поля, а именно диаметр модового пятна d_мод.

Поперечное распределение оптического поля одномодового ОВ обычно аппроксимируются гауссовской кривой. Диаметр модового пятна определяют на уровне 1/е² (0,13) кривой распределения интенсивности светового поля.

Информационная емкость ОВ, виды дисперсии в ОВ

Информационная емкость ОВ характеризуется полосой пропускания ОВ.

Ограничение полосы пропускания, а следовательно и информационной емкости ОВ связано с явлением дисперсии.

В оптике слово «дисперсия» обычно связывают с зависимостью показателя преломления от длины волны, а в оптической связи – с явлением уширения световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду.

Уширение импульса, которое характеризует дисперсию, может приближенно определено соотношением:

,

где t_вых и t_вх – длительность импульса на выходе и входе ОВ.

Уширение импульса определяет полосу пропускания ОВ

Δf ≈ 1/Δτ

Обычно полоса пропускания ОВ нормируется в расчете на 1 км и измеряется в МГц∙км

В одномодовых волокнах уширение импульсов вызывается двумя эффектами – хроматической дисперсией (D) и поляризационной модовой дисперсией (PMD).

В многомодовых волокнах превалирует межмодовая дисперсия.

Хроматическая дисперсия

Для характеристики хроматической дисперсии используют коэффициент дисперсии, или удельную дисперсию, которая нормируется в расчете на 1 км волокна и спектральный интервал 1 нм.

Хроматическая дисперсия представляет сумму материальной и волноводной дисперсии

D = D_м + D_в

Материальная дисперсия D_м – обусловлена свойствами материала (зависимостью n от λ)

Волноводная дисперсия D_в – обусловлена зависимостью постоянной распространения β от λ.

Кривые зависимостей материальной и волноводной дисперсий от длины волны обычно имеют различный наклон, поэтому может существовать значение длины волны, где их сумма будет равна нулю. Это длина волны нулевой дисперсии.

Рис.8. Иллюстрация к понятию нулевой дисперсии

Поляризационная дисперсия Δτ_п – существенна для одномодовых ОВ.

Эллиптичность сердцевины ОВ приводит к различной скорости распространения двух фундаментальных мод, поляризация которых перпендикулярна друг другу. Измеряется в пс/км^1/2.
Типичное значение поляризационной дисперсии 0,1..0,2 пс/км^1/2.

Типичные значения полной дисперсии одномодовых волокон
от 2..4 до 18..22 пс/(нм∙км)

Межмодовая дисперсия Δτ_мм – только для многомодовых ОВ, обусловлена различием скоростей распространения направляемых мод.

Практическая величина полной дисперсии

в многомодовых ступенчатых ОВ 10…20 нс/км; Δf ≈ 50…100 МГц∙км

в многомодовых градиентных ОВ 1…2 нс/км; Δf ≈ 0,5…1 ГГц∙км

Энергетические потери в ОВ –

связаны с поглощением и рассеянием оптического излучения в материале ОВ.

Коэффициент затухания это величина, характеризующая уменьшение мощности оптического излучения при его прохождении по оптическому волокну, выраженное в дБ и отнесенное к длине оптического волокна.

Коэффициент затухания обычно определяется путем измерения значений мощности излучения P₁ и P₂ на его выходе соответственно при исходной длине образца L₁ и после укорочения волновода до длины L₂ с последующим вычислением по формуле:

.

Рассмотрим основные причины, которые вызывают потери излучения в ОВ

1. Собственное поглощение. _сп Механизм этих потерь связан с поведением диэлектрика с идеальной структурой в электромагнитном поле. В случае двуокиси кремния SiO₂ существуют резонансы в УФ-области спектра (λ<0,4 мкм), связанные с электронными структурами атомов и резонансы в ИК-области (λ>7 мкм), обусловленные колебаниями самих атомов в решетке. Поскольку двуокись кремния аморфна, то эти резонансы существуют в виде полос поглощения, хвосты которых простираются в область видимого спектра.

Для кварцевого стекла существуют окна прозрачности, которые являются рабочими диапазонами длин волн для оптических систем передачи информации: 820–900 нм; 1260–1360 нм; 1530–1565 нм.

Рис. 9. Спектр поглощения кварцевого волокна

В последнее время стали использоваться 4-е окно 1565–1625 нм и 5-е окно 1460–1530 нм.

Во 2-м и 3-м окне прозрачности собственное поглощение вносит вклад не более 0,03 дБ/км.

2. Поглощение от наличия примеси _пр– обусловлено главным образом наличием ионов металлов переходной группы: железа, меди, никеля, магния, хрома. В современном производстве содержимое этих металлов было снижено до величин менее одной миллиардной части и они дают очень малый вклад в потери. Более существенной примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН^– . Ей соответствуют полосы поглощения вблизи 950 мкм, 1290 мкм и 1390 мкм.

3. Потери из-за рассеяния излучения _Р (рэлеевское рассеяние) –

обусловлено микроскопическими флуктуациями плотности вещества на интервалах, меньших длины волны. Это результат тепловых флуктуаций атомов, «замороженных» при остывании волокна.

_Р =K_Р /λ⁴

где K_Р – коэффициент рассеяния, который для кварца равен
0,8 мкм⁴ ∙дБ/км.

4. Дополнительные потери за счет несовершенства оптического волокна _к: (за счет скрутки, деформации, микроизгибов при изготовлении оптического кабеля), их называют кабельными.

Таким образом, коэффициент затухания будет определяться суммой значений рассмотренных потерь

 = _сп + _пр + _Р + _к

Потери для одномодовых волокон составляют

0,35 дБ/км на длине волны 1310 нм

0,18…0,19 дБ/км на длине волны 1550 нм

Волоконно-оптические кабели

Важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

1. монтажные

2. станционные

3. зоновые

4. магистральные

5. бортовые

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Кабели последних 3 и 4 типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров. Бортовые кабели используют для создания волоконно-оптических систем передачи подвижных объектов различного вида: аэрокосмические, морские, наземные.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

Основные характеристики оптических кабелей.

Оптические характеристики:

коэффициент затухания на рабочих длинах волн, дБ/км;

Числовая апертура

Коэффициент широкополосности, МГц∙км

Механические характеристики (максимальное растягивающее усилие; минимальный допустимый радиус изгиба.

Эксплуатационные характеристики (рабочая температура, допустимые ударные и вибрационные нагрузки и др.)

Характеристики надежности (минимальная наработка на отказ, минимальный срок сохраняемости)

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

• конструкции со свободным перемещением элементов

• конструкции с жесткой связью между элементами

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозотрос.

Основные требования к ОК:

минимальные оптические потери из-за механических напряжений, возникающих в ОВ при изготовлении ОК;

высокая механическая прочность;

устойчивость к проникновению влаги;

стабильность характеристик в заданном температурном диапазоне;

низкая стоимость.

Пример конструкций оптического кабеля

Рис. 10. Конструкция оптического кабеля: 1 - ОВ, 2 - полиэтиленовая трубка, 3 - силовой элемент, 4 и 5 - соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки

Характеристики

Список файлов лекций