4.5.1. Ступенчатые волоконные световоды

Подобно плоским диэлектрическим волноводам в интегрально-оптических схемах, волоконные световоды различной длины применяют для направленной передачи оптического излучения, которое вводят через торцевой (обычно плоскрш) конец световолокна. В простейшем случае оптическое волокно представляет собой тонкую нить круглого сечения из прозрачного в нужной спектральной области материала (стекло, кварц, различные полимеры). Канализация света в нем основывается на явлении полного внутреннего отражения. Как в прямолинейном, так и в изогнутом волоконном световоде канализированные волны можно наглядно представить лучами, распространяющимися зигзагообразно, под углами к его оси и каждый раз испытывающими полное внутреннее отражение на поверхности раздела. Разумеется, для этого необходимо, чтобы коэффициент преломления материала световода был обязательно больше коэффициента преломления окружающей его среды.

Пучок света, испытывая полное внутреннее отражение и распространяясь в однородной прозрачной нити, в идеальном случае не должен терять энергию, т. е. постепенно затухать. Однако практически потери все же происходят. Учитывая большую длину волокна (в отличие от плоского волновода в интегрально-оптических схемах), они могут оказаться значительными. Как будет показано ниже, заметная часть потерь приходится прежде всего на рассеяние света на поверхности волокна, т. е. происходящие в световолокне процессы подвержены влиянию окружающей среды и внешних воздействий. Это, а также низкая механическая прочность делают тонкую прозрачную нить непригодной для непосредственного применения в качестве световода.

Положение радикально изменяется при переходе к двухслойному световоду, представляющему собой световедущую сердцевину (жилу), покрытую оболочкой из материала, показатель п0 которого меньше, чем жилы пв. Как и в интегрально-оптическом волноводе, при полном внутреннем отражении световая волна несколько проникает в оболочку, поэтому, для того чтобы волна не затухала, в соответствующей области спектра оболочка должна быть прозрачной. Необходимо также обеспечить высокое совершенство границы раздела между сердцевиной и оболочкой. Если толщина оболочки превышает несколько длин волн света, интенсивность световой волны, достигающей внешней поверхности оболочки, оказывается пренебрежимо малой. Поэтому на процесс распространения канализируемых в сердцевине волн состояние поверхности оболочки практически не влияет. Световод со ступенчатым профилем коэффициента преломления можно покрыть еще одной защитной, упрочняющей, например полимерной, оболочкой, снабдить армирующими элементами, обеспечивающими необходимую механическую прочность и стойкость к воздействиям окружающей среды, т. е. превратить волоконный световод в оптический кабель, пригодный для практического использования. Оптический кабель может содержать как один, так и множество световодов, включать в себя, кроме того, электрические провода для обеспечения питания, например, удаленных электронных устройств.

В волоконном световоде лучи испытывают полное внутреннее отражение от цилиндрической поверхности сердцевины. Угол падения луча на эту поверхность (отсчитываемый, как и ранее, от нормали к ней) зависит от направления луча, падающего на входной торец световода. Канализируются только те лучи, которые ограничены конической поверхностью, образующей с осью световода угол θа, определяемый выражением, аналогичным числовой апертуре плоского волновода (4.5), но с заменой пп на п0- Числовая апертура — важная характеристика волоконного световода. Лучи, падающие на торец световода под углом, выходящим за пределы θа, не испытывают полного внутреннего отражения от поверхности сердцевины, преломляются в оболочке и могут приводить к нежелательным паразитным связям, например, между световодами в многожильных кабелях. Для их устранения желательно, чтобы вторая защитная оболочка была светопоглогдающей.

Подпись: Рис. 4.12. Устройство и ход лучей в ступенчатом (а), градиентном (б) и газодиэлсктрическом (в) световодах. Внизу — рас¬пределение показателя преломления по радиальному сечению

Диаметр сердцевины волоконного световода может в зависимости от его назначения составлять от нескольких микрометров до нескольких сотен микрометров, а толщина оболочки — от нескольких десятков микрометров вплоть до миллиметра (один из стандартных диаметров оболочки — 125 мкм). Когда диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны света, по световолокну, как и по плоскому волноводу, может распространяться только дискретная совокупность волн. Им соответствуют различные углы падения лучей на поверхность раздела сердцевина — оболочка, а это, в свою очередь, приводит к различной длине пути, которые проходят лучи (рис. 4.12, а). В результате передаваемый по световоду сигнал искажается. Если на вход световода подать короткий световой импульс (например, при использовании ИКМ), то при достаточно большой длине может случиться, что на выходе импульсы, переносимые разными модами, окажутся разделенными по времени, т. е. на выходе вместо одного импульса появится серия импульсов. Если входной импульс удлинять, то серия импульсов на выходе в конце концов сольется в один импульс увеличенной длительности. По этой причине нельзя беспредельно увеличивать частоту модуляции распространяющегося по волноводу сигнала: период модуляции, по-видимому, должен превышать разницу времени прохождения световода отдельными модами. Разница во времени прохождения отрезка световолокна длиной l для осевого луча и наиболее отклоненного луча (когда еще возможно полное внутреннее отражение) примерно составляет

, (4.22)

где с—скорость света в вакууме. Время Δt для l = 1 км и типичного значения Δп = 1·10-2 составляет несколько десятков наносекунд, что соответствует предельной частоте модуляции несколько десятков мегагерц (верхняя граничная частота, выраженная в герцах, по величине приближенно равна скорости передачи информации в битах в секунду). Принято говорить, что такие искажения сигнала (не связанные с немонохроматичностью света!) обусловлены межмодовой (модовой) дисперсией.

Волоконный оптический волновод может работать и в одномодовом режиме. Для этого нужно, чтобы выполнялось условие, аналогичное (4.15) для плоского волновода (под hкр в таком случае нужно подразумевать диаметр сердцевины волокна). Таким образом, для одномодового режима диаметр световолокна и различие показателей преломления Δп = nвп0 должны быть достаточно малыми.

В одномодовых световодах межмодовая дисперсия как таковая не проявляется. Качественная передача сигнала в этом случае все же ограничена тем, что используемое излучение не может быть строго монохроматическим, а занимает конечный спектральный интервал. Из-за этого возникает материальная дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления сердцевины пв, а значит, и скорости распространения от длины волны света. Если принять, что ширина спектральной полосы полупроводникового лазера составляет несколько нанометров, а световода — несколько десятков нанометров, то различие во времени прохождения пути длиной 1 км для граничных длин волн полосы излучения составит по порядку величины 1·10-10 с, т. е. предельные частоты модуляции сигнала равны 1·1010 и 1·109 Гц.

Возможны также другие виды дисперсии, проявляющиеся в тех случаях, когда межмодовую и материальную дисперсии удается свести к минимуму. Рассмотрение на основе волновой теории показывает, что даже в одномодовом режиме скорость распространения света по волокну зависит от частоты независимо от материальной дисперсии. Этот вид дисперсии называют волноводной (внутримодовой). С практической точки зрения важно, что в определенном спектральном интервале материальная и волноводная дисперсии могут компенсировать друг друга. При этом может проявиться еще один вид дисперсии, обусловленный тем, что, например, из-за механических напряжений в волокне, отклонения формы сердцевины от цилиндрической световые волны со взаимно ортогональной поляризацией распространяются с различными скоростями. Такая дисперсия, называемая поляризационной, приводит к уширению светового сигнала на величину порядка 1·10-11 с при длине волокна 1 км. Как следует из изложенного, для всех видов дисперсии уширение импульса пропорционально длине световолокна. Поэтому пропускную информационную способность приводят к единице длины световолокна, а полосу пропускания выражают в мегагерцах-километрах или гигагерцах-километрах.

Следует иметь в виду, что широкая полоса пропускания одномодового световода достигается ценой усложнения технологии изготовления и его эксплуатации. Эффективное введение энергии в одномодовый световод требует того, чтобы и источник излучения был одномодовым лазером (согласование со светодиодом получается плохим). К этому нужно также добавить, что числовая апертура одномодового волокна заметно меньше, чем многомодового: 0,1 и 0,2—0,3 соответственно.

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.