Лекции по Оптическим линиям связи и пассивным компонентам ВОСП   

2. Физические основы передачи электромагнитной энергии по оптическим волокнам

2.5 Оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления

Для того чтобы свет направлялся в стекле сердцевины волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления благодаря полному внутреннему отражению, необходимо иметь показатель преломления n1 стекла сердцевины немного больше показателя преломления n2 стекла оболочки на границе раздела двух стеклянных сред. Если показатель преломления n1 одинаков по всему поперечному сечению сердцевины, то говорят, что показатель преломления  имеет ступенчатый профиль, так как при переходе от стекла оболочки к стеклу сердцевины показатель преломления возрастает ступенеобразно и остается там неизменным. На рисунке 2.7 приведены ступенчатый профиль показателя преломления волоконного световода, а также распространение луча света с соответствующими углами. Такой волоконный волновод называется световодом со ступенчатым профилем показателя преломления или ступенчатым световодом. Этот тип волоконного световода легко изготовить. Однако в настоящее время он применяется довольно редко. Для того чтобы лучше проиллюстрировать распространение света в таком световоде, выбран нижеследующий пример (рисунок 2.7).

 

Рисунок 2.7 - Ход лучей в многомодовом оптическом волокне

Типичные размеры многомодового световода со ступенчатым профилем показателя преломления:

- диаметр сердцевины    = 100 мкм;

- диаметр оболочки       D = 140 мкм;

- показатель преломления сердцевины  n1= 1,48;

- показатель преломления оболочки         n2 = 1,46.

В этом случае для критического угла aо  полного внутреннего отражения, то есть наименьшего угла к нормали падения, при котором луч света направляется в стекле сердцевины и не преломляется в стекле оболочки, справедливы

           sinaо=n2/n1=1,46/1,48 » 0,9865;              aо  = 80,6o.                           (2.5.1)

Все лучи света, которые образуют угол с осью волоконного световода £ (90о - aо) = 9,4о, распространяются в стекле сердцевины.

Когда свет вводится в стекло сердцевины снаружи (воздух no = 1), то следует учитывать закон преломления, так как свет может войти в оптическое волокно только в пределах определенного апертурного угла q. В таком случае справедливо

           ; q»14,0о  .         (2.5.2)

Такой волоконный световод является многомодовым. Импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах световода. Каждая из этих мод возбуждается на входе волновода под своим определенным углом ввода и направляется по нему в пределах стекла сердцевины соответственно по различным траекториям движения луча. Каждая мода проходит разное расстояние оптического пути и поэтому приходит на выход световода в разное время. Наибольшее время прохождения соотносится с меньшим временем прохождения так же, как соотносятся показатели преломления стекла сердцевины и оболочки, и поэтому такое отношение имеет величину того же порядка, что и нормированная разность показателей преломления D, то есть выше 1%.

Эта модовая дисперсия может быть полностью исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нем будет направляться только одна мода, а именно – фундаментальная (основная) мода HE11.

Однако основная мода также уширяется во времени по мере ее прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией (раздел 5.3). Поскольку она является свойством материала, она, как правило, имеет место в любом оптическом световоде. По сравнению с дисперсией мод хроматическая дисперсия в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм относительно мала или отсутствует.

Чтобы описать размер (радиальную амплитуду поля) фундаментальной моды, был введен термин диаметр поля моды 2wo (раздел 3.5). Для изготовления ступенчатого волоконного световода с малым затуханием, который направляет только фундаментальную моду в диапазоне длин волн более 1200 нм, диаметр поля моды 2wo должен быть уменьшен до 10 мкм. Такой ступенчатый волоконный световод называется одномодовым оптическим волокном.

Здесь полезно отметить, что не только диаметр сердцевины, но и числовая апертура и вследствие этого также входная угловая апертура намного меньше, чем соответствующие параметры у многомодового ступенчатого световода, что делает относительно трудным введение света в одномодовый световод.

Если одномодовые световоды имеют изгибы или соединения, то размер диаметра поля моды является важным фактором, влияющим на характеристики затухания. Так, увеличение диаметра поля моды приводит к ухудшению пропускания света в изгибах, но уменьшает потери в разъемных и неразъемных соединениях.



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