Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003) (1095923), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Естественно, что наличие вреальном световоде тех или иных нерегулярностей (флуктуаций состава и соответственно величины n, непостоянства геометрии, микроизгибов, нарушений награнице раздела сердцевина-оболочка и т.п.) приводят к «перекачке» энергиимежду модами. В представлениях геометрической оптики это значит, что луч суглом падения φ1, преломившись на неоднородности, меняет угол распространения на φ2. Возможность проявления этого эффекта становится очевиднее, если учесть, что на 1 км пути укладывается около 109 длин волн света и в то жевремя происходит более 106 актов отражения светового луча от границы сердцевина-оболочка.
Связь или смешение мод приводит к тому, что часть энергиимедленных мод переходит в быстрые и наоборот; это ведёт к некоторому выравниванию времён распространения медленных и быстрых мод – в итоге дисперсия уменьшается. Математическое описание явления в общем виде оченьсложное, важнейший результат смещения мод состоит в следующем: σOB ~(L0L)1/2 или σOB ~(L)1/2, где L0 – характеристическое расстояние, на котором устанавливается постоянный модовый состав.
Дисперсионное размытие световогоимпульса «набегает» не пропорционально длине световода L, а пропорционально L1/2, т.е. значительно слабее. Величина L0 может быть определена лишьэкспериментально, она тем больше, чем совершеннее световод, и может достигать десятков километров. Естественно, что при L≤ L0 сохраняется прежний закон: σ ~L.Затухание излучения в световодеПричинами потерь оптической мощности, при распространении сигнала поволокну, являются различные виды поглощения, а также обусловленная рассеянием деформация углового распределения лучевого потока и вытеканиевозникающих внеапертурных лучей из сердцевины.Для количественной оценки потерь пропускания используется удельное затухание оптического сигнала, выраженное в дБ/км, B = (1/L) 10 lg (PВХ/PВХ),108где PВХ, PВХ - мощности каналируемого излучения на входе и выходе световодадлиной L, км. Если имеются различные невзаимодействующие механизмы потерь, то затухания складываются, т.е.
B = ∑ bi, где bi - удельное затухание, вносимое i-м механизмом потерь.Рассмотрим наиболее существенные из этих механизмов.1. Фундаментальные потери, присущие материалу и принципиально неустранимые. Выделяют два вида фундаментальных потерь. Один вид - собственноепоглощение в материале световода (потери bМ), которое в УФ-области связано сэлектронными переходами между разрешёнными энергетическими уровнямиатомов, а в ИК-области - с многофотонным и колебательным возбуждениеммолекул. «Хвосты» полос поглощения могут доходить до рабочего диапазонадлин волн световода, что проявится в затухании. Экспериментально установлено, что для кварца уже при λ ≥ 0,6 мкм УФ-поглощение становится меньше1 дБ/км, а ИК-поглощение, эффективное при λ ≥ 8-12 мкм, при λ = 1 мкм, вообще не сказывается.Другой вид фундаментальных потерь – релеевское рассеяние на различногорода нерегулярностях, приводящее к потерям bрел = χрелλ-4, где постоянная χрелтем меньше, чем ниже температура «замораживания» флуктуаций состава световода, охлаждаемого при изготовлении.Для кварца при его тщательной обработке экспериментально получено χрел =0,7 дБ/(км мкм-4), что для λ = 0,82 мкм даёт bрел = 15 дБ/км, а при λ = 1,55 мкмbрел = 0,14 дБ/км.
Следует подчеркнуть, что χрел не универсальная константа, оназависит и от выбора материала световода, и от технологии его обработки, т.е.принципиально можно ожидать получения меньших, чем достигнуто в кварце,релеевских потерь. Наиболее характерным моментом является сильная зависимость bрел от λ, из чего следует, что в дальней ИК-области релеевские потеристановятся пренебрежимо малыми.2. Примесное поглощение, обусловленное наличием примесей (потери bион).В кварце такими примесями, проявляющимися как центры окраски, являютсяионы металлов группы медь - хром, а именно медь, хром, магний, никель, железо.
Однако при современных методах очистки роль примесей в кварце оказывается несущественной; значение их как центров окраски сохраняется лишь длямногокомпонентных стекол.Значительное поглощение происходит за счёт гидроксильной группы ОН(потери bОН), но спектр этого поглощения имеет характер отдельных узких полос, так что в промежутках между ними дополнительное затухание может бытьничтожным. Основной пик колебательного возбуждения связи О-Н наблюдается при λ = 2,72 мкм, меньшие пики, обусловленные обертонами, - при длинахволн 1,24; 0,94; 0,88; 0,72 мкм.
Рабочую длину волны излучателя стремятся поместить между этими пиками.3.Технологические разбросы определяющих параметров световода (потериbтехн): эллиптичность сердцевины, статистические флуктуации её диаметра ипоказателя δ по длине световода, нарушения выбранного закона распределенияпоказателя преломления по сечению сердцевины (в частности, очень часто наоси световода наблюдается провал кривой n(r)). Всё это приводит к рассеянию109и перекачке части энергии распространяющегося излучения в вытекающие моды.4. Явления, связанные с дефектами эксплуатации, проявляющимися уже после изготовления волокна.
Это потери, обусловленные микроизгибами, возникающими в местах контакта волокна с защитными оболочками и упрочняющими элементами кабеля. Практически после укладки волокна в кабель его затухание может на 20-50% превысить исходное значение. Дополнительные механические напряжения и микроизгибы возникают также при изменении температуры окружающей среды, причем они тем значительнее, чем шире диапазон рабочих температур ∆Траб.
Характерно, что температурные эффекты обусловленыне только взаимодействием волокна с окружающими элементами, но и внутренними напряжениями, а также изменением величины δ из-за различия (пустьнезначительного) физических свойств сердцевины и оболочки. Оба вида потерь- кабельные bкаб и температурные bТ - полностью устранить не удается, однакопри оптимальной конструкции волокна и кабеля они могут быть достаточномалыми.5. Потери bR, обусловленные воздействием проникающей радиации и принципиально не устранимые. В кварцевых волокнах ионизирующее излучениеприводит к разрыву связей в молекуле SiO2 и появлению свободных связей, которые служат ловушками зарядов, что повышает в конечном счёте затуханиесигнала.
Детальное описание радиационного воздействия вызывает сложности,наблюдаемые явления не всегда допускают однозначную интерпретацию, однако некоторые общие закономерности для кварцевых световодов все же могутбыть сформулированы. Установлено, что при малых дозах, не превышающих107 рад, различные виды радиации (электроны, протоны, нейтроны, альфа-,гамма- и рентгеновское излучения) оказывают на световоды практически одинаковое воздействие.
При слабых воздействиях дополнительное поглощениесначала линейно зависит от дозы, а затем наблюдается насыщение. Наведенноепоглощение состоит из двух компонентов: стабильного и нестабильного, исчезающего при отжиге или интенсивной засветке. Как правило, оба компонентанаведённого поглощения значительно больше для легированного, чем для чистого кварца.Важная общая закономерность радиационных дефектов проявляется в том,что они тем меньше влияют на затухание, чем больше длина волны излучения:в первом приближении при λ = 1 мкм наведенные потери пропорциональны λ-r,где r = 5-7.6.
Потери bД, возникающие вследствие временных деградационных явлений.При вытягивании волокон на их поверхности образуются микротрещины, которые с течением времени могут увеличиваться и вызывать появление дополнительных потерь. Процесс существенно ускоряется при наличии механическихдеформаций и химическом действии тех или иных реагентов, главным образомвлаги и кислорода, устранить влияние которых практически невозможно.Подводя итоги, можно расписать общее выражение для B следующим образом:Bполн = bМ + bрел + bион + bOH + bтехн + bкаб + bТ + bR + bД.110Современныесистемы связиРис. 61. Спектр оптических потерь волоконного световода.Техническая реализация ВОЛСЭлементную базу волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) составляютволоконно-оптические кабели, передающие и приемные оконечные устройства(модули), оптические соединители, разветвители, коммутаторы.
Именно изэтих аппаратурных средств создаются системы оптической связи. Но каждыйиз названных элементов представляет собой сложное устройство, в свою очередь состоящее из нескольких комплектующих элементов, свойства и характеристики которых в конечном счете определяют возможности ВОЛС. Эти оптические, опто-, микроэлектронные, оптико-механические элементы (изделия,материалы) также входят в элементную базу ВОЛС.Оптические волокнаОпределяющими в технике ВОЛС являются кварцевые двухслойные волокна трех основных разновидностей: многомодовые ступенчатые и градиентные,а также одномодовые (рис. 62, а - в).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
