Платонов КВ Диссертация (1195988), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Обычно коэффициент затухания измеряется в децибелах (дБ) и зависит от длины волны светового потока и от параметров оптического волокна.Отметим, что любой дефект в волокне служит причиной ухудшениясигнала. И дисперсия, и затухание в волокне могут расти в результате макро- и микро-изгибов, из-за присутствия посторонних включений, неравномерностей в изменении коэффициента преломления, из-за неправильногоизготовления волокна, плохого монтажа, использования оптического кабеля вне рабочего диапазона температур и т.п. В условиях проникающей радиации оптическое волокно тускнеет, и это сужает возможности использования волоконной оптики на специфических объектах.38Зависимость величины затухания в оптическом волокне от длины волны изображена на рисунке 3.1.Рисунок 3.1. Зависимость величины затухания в оптическом волокне от длины волны3.2 Дисперсия оптического сигналаВместе с коэффициентом затухания оптического волокна нужнойфункцией является дисперсия, определяющая пропускную способностьволокна для передачи информации.Дисперсия является рассеиванием во времени модовых или спектральных компонент оптического сигнала, приводящее к росту длительностиимпульса оптического излучения при проходе его по волокну и находитсякак разность квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ22   вых  вх,(3.1)где значения τвых и τвх находятся на уровне половины максимальной амплитуды импульсов.Кроме ограничения частотного диапазона, дисперсия сильно уменьшает дальность передачи сигнала, потому что чем больше линия, тем вышерост длительности импульсов.

Дисперсия описывается тремя основнымифакторами: различной скоростью распространения направляемых мод,39направляющими структурами оптического волокна и численными параметрами материала, из которого волокно произведено. Поэтому основными причинами присутствия дисперсии являются, огромное число мод в оптическом волокне, некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн Δλ (хроматическая дисперсия).Межмодовая дисперсия высока в многомодовых ОВ определяетсяналичием огромного количества мод, время распространения которых неодинаково. Для волокна со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны λпостоянна и равнаv  c / n1,(3.2)где с - скорость света, км/с.В данном случае все лучи, падающие на край волокна под определенными углами к его оси в пределах апертурного угла θа распространяются всердцевине волокна по своим зигзагообразным линиям и при постояннойскорости движения прибывают к противоположному краю волокна в разное время, что приводит к росту длительности пришедшего импульса.

Вселучи, падающие на край волокна под нужными углами к его оси в пределах 0 < θп < θа прибывают к приемному устройству с каким-то временнымсдвигом, что, также способствует увеличению длительности принимаемогоимпульса.У градиентных ОВ межмодовая дисперсия на порядок и более меньше,чем у ступенчатых волокон. Это определено тем, что за счет сбавления показателя преломления от оси волокна к оболочке скорость прохождениялучей вдоль их траекторий меняется: на путях, близких к оси, она убывает,а на удаленных, соответственно, - выше. Следовательно, лучи, проходящиекратчайшими путями, владеют сниженной скоростью, а лучи, проходящиепо более протяженным путям, имеют скорость выше. По итогу, время про-40хождения лучей сравнивается, и рост длительности импульса становитсяниже.Согласно законам геометрической оптики время прохождения луча вступенчатом многомодовом оптическом волокне зависит от угла паденияϴ и определяется:tL * n1,c * cos (3.3)где L- длина световода, км;n1- показатель преломления сердцевины ОВ;с - скорость света, км/с.По причине того, что минимальное время прохождения оптическоголуча имеет место при θп = 0, а максимальное при θп = θкр, соответствующиеим значения времени распространения можно записать:tmin L * n1L * n1и tmax ,c * cos c(3.4)где L-длина ОВ,n1- показатель преломления,с-скорость света.Откуда значение межмодовой дисперсии равно: мм  tmax  tmin Ln nn ** 1 2  ( 1 )*L,c * n1n1c(3.5)где τмм - межмодовая дисперсия, пс.Из отношения (3.5) следует, что межмодовая дисперсия растет с повышением длины волокна.

Однако это истинно только для идеального волокна, в котором связь между модами не существует. В реальных условиях,присутствие неоднородностей, кручение и изгиб волокна приводят к постоянным течениям энергии из одних мод в другие, т.е.

к связи мод, поэтому дисперсия становится пропорциональнойL . Эго влияние показы-вается не сразу, а после определенного расстояния распространения свето41вой волны, которое называют длиной установившейся связи мод и считается равным 5 - 7 км для ступенчатого волокна и 10 - 15 км для параболического. Оно найдено эмпирическим путем.Хроматическая дисперсия, в свою очередь, совмещает комплексноевоздействие двух подвидов – волноводной и материальной дисперсии.Первый элемент обуславливается волноводными особенностями одномодового волокна, из-за которых диаметр модового поля прямо пропорционален длине волны передаваемого сигнала.

Этот параметр сильно влияетна дисперсионные характеристики одномодовых световодов.Результирующая дисперсия одномодового волокна должна находитьсяв соответствии с выражением:2  ( вв   мат ) 2   пмд.(3.6)Для исследования возможности нужно найти вклад межмодовой дисперсии в составную дисперсию волокна.Если для стандартного волокна коэффициент удельной дисперсииравен 20 пс/ (нм*км), то хроматическая дисперсия зависит от длиныволны.Тогда для исследуемого случая коэффициент дисперсии равна 33,65 пс,а значит подобные волокна сильно ограничат скорость передачи данных ирасстояние для передачи высокомультиплексированного сигнала. Так, дляобычного волокна в системе STM-16 допустимое расстояние передачи подисперсии составляет Lдисп = 10500/20 = 525 км, а с учетом вклада межмодовой дисперсии Lдисп = 10500/(20+33,65) = 196 км.Она вполне допускает данную эксплуатацию.

А для стандарта STM-64Lдисп=1600/20=80кмиLдисп=1600/(20+33,65)=30км,чтосильноограничивает эксплуатацию.423.3 Взаимовлияние поляризации и траектории луча в оптическомволокнеПри прохождении света в локально изотропной оптически непостоянной среде возможно смена его поляризации. В оптически непостояннойсреде с медленно меняющимся показателем преломления при прохождении линейно поляризованного света происходит поворот плоскости поляризации света. Если направление фотона медленно описывает замкнутуюкривую в пространстве траекторий, то он получает дополнительную фазу.Поворот плоскости поляризации обуславливается фазой Бери.Для нахождения влияния направления луча на его поляризацию оптическое волокно размещают в тефлоновую оболочку, внутри которой оносвободно вращается, что снижает влияние торсиальных сил при скручивании оптического волокна в спираль.

При помощи поляризаторов, расположенных перед входным краем оптического волокна и на выходе из него,находится угол поворота плоскости поляризации. При этом находится, чтоугол поворота плоскости поляризации не зависит от формы спирали, аобуславливается только величиной телесного угла, находящегося на единичной сфере в пространстве касательных. Таким образом, подтверждается влияние пути, по которому передвигается свет, на его состояние поляризации.Оптический эффект Магнуса является итогом взаимодействия наполяризации света на путь при его прохождении в оптическом волокне. Вусловиях полного внутреннего отражения был найден продольный сдвиготраженного луча, т.

е. свет при отражении проходит некоторый путь воптически менее плотной среде, а после этого возвращается, но уже в инойточке, в оптически более плотную среду. Величиной сдвига являетсянесколько длин волн [6]. Экспериментально этот сдвиг был найден Гусоми Ханхеном и называется сдвигом Гуса-Ханхена.При полном внутреннем отражении вместе с продольным наблюдаетсяи поперечный сдвиг. Значение поперечного сдвига при единичном акте43полного внутреннего отражения имеет значение меньше чем длина волнысвета.Эффект влияния пути света на его поляризацию был впервые названкак результат спин-орбитального действия фотона. При прохождении света в оптически непостоянной среде в результате действия спина фотона(поляризации) и его орбитального момента видно смена пути циркулярнополяризованных лучей при смене знака циркулярности.

В оптически постоянной среде пространственная структура поля и его поляризация являются связанными.Из края оптического волокна вытекает конус излучения, отрезанныйчисловой апертурой оптического волокна. Внутри конуса интенсивностьизлучения распределяется в соответствии с полем модовых пятен, из которых E01 H01 HE12 EH11 HE21 EH22 имеют одинаковую интенсивности, размеры и форму. Три моды, включая центральную фундаментальную моду,владеют линейную поляризацией.

Остальные моды, созданные меридиональными лучами, имеют сдвиг фаз между ТМ и ТЕ составляющими, рассчитанный по формулам:tgTEn12 sin 2 Q1  n22,n1 cos Q1tgTM n12n22n12 sin 2 Q1  n22,n1 cos Q1(3.7)(3.8)где n1 – показатель преломления сердечника,n2 – показатель преломления оболочки,Q1 – угол падения луча внутри сердечника.Из этого следует, что разность фаз составляетTM  TE .(3.9)Это определение разности фаз соответствует единственному отражению, что объясняет эллиптическую поляризацию моды. С каждым следу44ющим отражением сдвиг фаз растет, трансформируя эллиптическую поляризацию в круговую. Циклически картина поляризации полностью повторяется.

При этом поляризация четырех мод, которые образованы меридиональными лучами, идентична, но попарно направлена в противоположныестороны, что при сумме дает итоговую линейную поляризацию всего модового поля (рисунок 3.2).Рисунок 3.2. Поляризация противоположных мод невозмущенного оптического волокнаПри влиянии на волокно физических полей: механических, температурных, электрических, магнитных, – изменяется поле мод. При передвижении возмущения изменяется распределение поля мод, количество передвигающихся мод, а также происходит их кручение.Исследуем пример определенного внешнего воздействия на оптическоеволокно как вибрации, при котором существует только смена интенсивности каждой моды, поэтому при сложении противоположных мод с эллиптической поляризацией не происходит их снижение друг относительнодруга (рисунок 3.3).45Рисунок 3.3.

Характеристики

Список файлов ВКР