5.1.1. ОВ типа 'кварц-кварц'

5.1.2. ОВ типа 'кварц-полимер'

Многомодовые ОВ можно подразделить на два типа: "кварц-кварц" и "кварц-полимер". В первом случае ОВ имеют сердцевину и светоотражающую оболочку из чистого или легированного кварцевого стекла, во втором случае – светоотражающая оболочка формируется полимерным материалом (обычно силаксановым эластомером – СИЭЛ). Заготовки ОВ типа "кварц-кварц" изготавливают парофазными методами, изложенными в гл. 3, и, когда говорят о кварцевых ОВ, то по умолчанию понимают, что речь идет об ОВ типа "кварц-кварц", которые используются практически во всех ВОСПИ.

5.1.1. ОВ типа 'кварц-кварц'

В настоящее время многомодовые ОВ применяются в основном в локальных вычислительных сетях и в линиях с низкой скоростью передачи данных . Стандартные многомодовые волокна были рассчитаны на применение со светодиодами – наиболее надежными и дешевыми полупроводниковыми источниками излучения. Многомодовые кварцевые световоды со ступенчатым профилем ПП были исторически первым типом волокна (1974-1975 г.), которые нашли практическое применение в волоконно-оптических линиях связи. Специально для работы в стандарте Gigabit Ethernet были разработаны волокна с более высоким коэффициентом широкополосности. Они используются совместно с лазерами, т.к. светодиоды не обладают быстродействием, необходимым для работы в стандарте Gigabit Ethernet.

Согласно лучевой теории свет, распространяющийся в волокне, можно представить в виде суммы плоских волн, изображаемых в виде лучей, образующих конус. Причем чем выше номер моды, тем больше угол раствора лучей, образующих этот конус (рис. 5.2). Хотя моду можно представить только полным набором таких лучей, ее часто изображают одним лучом. Число мод, распространяющихся в многомодовом ОВ со ступенчатым профилем ПП определяется уравнением:

N = V²/2 (5.1),

где V – так называемая нормализованная частота, равная

(5.2),

где d_сер. – диаметр сердцевины в волокне, l - длина волны, NA - числовая апертура волокна, n - ПП кварцевого стекла, Dn – разность ПП материалов сердцевины и светоотражающей оболочки.

Рис. 5.2. Лучи, формирующие первую и вторую моды волокна. Угол наклона лучей во второй моде больше, чем в первой, и они глубже проникают в оболочку.

В цифровых линиях ВОСПИ свет распространяется в волокне в виде последовательности импульсов, скорость распространения которых определяется групповой скоростью. Эта последовательность импульсов переносится одновременно всеми модами и, соответственно, образующими их лучами. Так как угол наклона лучей, образующих более высокую моду, больше, чем у лучей, образующих более низкую моду, то высшие моды запаздывают сильнее (проходят как бы больший путь, что видно на рис. 5.2.). Поэтому в многомодовом ОВ импульсы, передаваемые разными модами, испытывают уширение и могут накладываться друг на друга. Этот механизм уширения импульсов называется межмодовой дисперсией (см. гл. 1). Для уменьшения межмодовой дисперсии используют градиентный профиль ПП в сердцевине, который записывается как (1.18). Траектория меридиональных лучей в градиентном волокне показана на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Траектории меридиональных лучей в градиентном волокне: 1 – светоотражающая оболочка, 2 – лучи, соответствующие высшей моде, 3 - лучи, соответствующие низшей моде. Числовая апертура NA = n₀×sinα

Лучи, соответствующие основной (первой) моде волокна, проходят кратчайший путь, но с наименьшей скоростью, т.к. распространяются вблизи оси волокна, где ПП сердцевины максимален. Лучи, соответствующие высшим модам, проходят по более длинным траекториям, но с большей скорость., т.к. проходят по областям с меньшим ПП. В результате, несмотря на разную длину траекторий, лучи проходят их за одинаковое время. Число мод, распространяющихся в градиентном многомодовом ОВ, определяется как:

N = V²/4 (5.3),

т.е. в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым профилем ПП при одинаковых значениях максимальной разности ПП сердцевины и оболочки.

Провал в центре профиля ПП сердцевины характерен для ОВ, заготовки которых получены методами MCVD, OVD, PMCVD, PCVD, и обусловлен испарением легирующих компонентов во время сжатия трубки с осажденными слоями в штабик-заготовку. Наличие этого провала приводит к тому, что в волокне возбуждаются одновременно моды и наиболее низкого, и наиболее высокого порядка при использовании лазерного диода в качестве источника излучения. Так как эти моды распространяются с разными скоростями, то возникает так называемый эффект дифференциальной модовой задержки, приводящий к расщеплению импульсов. Устранить это расщепление импульсов можно, сместив на 10-20 мкм место ввода излучения от оси волокна. Это смещение осуществляется с помощью специальных шнуров MCP (Mode Conduction Patchcord). Волокна без провала в центре профиля ПП, полученные, например, методом VAD, соединяются с лазером в системе Gigabit Ethernet непосредственно без использования шнуров MCP. В качестве источников излучения в этой системе регламентируется использовать плоскостные полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL), работающие в диапазоне 0,85 мкм.

Максимальная широкополосность многомодовых градиентных ОВ, строго говоря, достигается только на одной длине волны, т.к. степенной параметр (u) в уравнении (1.18) зависит как от материала сердцевины, так и от рабочей длины волны. При производстве новых типов волокон координату максимума сдвигают в сторону коротких волн (рис. 5.4), что приводит нетолько к увеличению коэффициентов широкополосности ОВ в первом окне прозрачности (l ~ 0,85 мкм), но и делает тракт более универсальным, вырав нивая значения этих коэффициентов в первом и втором (l ~ 1,3 мкм) окнах

прозрачности.

Рис. 5.4. Спектральные характеристики коэффициента широкополосности градиентных волокон: 1 – стандартное волокно, 2 – широкополосное волокно

В таблице 5.1. даны стандартные спецификации градиентного многомодового ОВ.

Таблица 5.1.

Стандартные спецификации градиентного многомодового ОВ.

Рис. 5.5. Зависимость стоимости ВОСПИ от длины тракта с многомодовыми (1) и одномодовыми (2) волокнами

Из таблицы 5.1 видно, что и величина потерь и пропускная способность многомодовых ОВ уступает одномодовым ОВ, которые к тому же значительно дешевле. Однако из-за меньшей стоимости оконечной аппаратуры и монтажа линии с многомодовыми ОВ ценовое преимущество одномодового ОВ начинает сказываться только при длинах линии больше 1,5 км (рис. 5.5).

5.1.2. ОВ типа 'кварц-полимер'

В этих ОВ сердцевина сформирование чистым кварцевым стеклом типа КУ, КВ, КИ или КУВИ (см. гл. 2) в зависимости от спектрального диапазона работы волокна, а светоотражающая оболочка –полимером, имеющим ПП меньше ПП кварцевого стекла. Обычно в качестве такого полимера используют СИЭЛ – 305, имеющий n ≈ 1,40 и плотность ~ 1,1 г/см³. Получают такие ОВ путем вытяжки кварцевого штабика с одновременным нанесением покрытия на вышеописанной вытяжной установке (рис. 4.1). ОВ типа "кварц-полимер" используются, главным образом, для передачи большой мощности световой энергии или в локальных вычислительных сетях небольшой протяженности. Эти ОВ находят также широкое применение в медицине, поскольку являются значительно более дешевыми, чем ОВ типа "кварц-кварц". Диаметр кварцевой сердцевины обычно составляет 200…1000 мкм и зависит от энергии, которую надо передавать по ОВ (например, при диаметре сердцевины 600 мкм по ОВ передают мощность до 100 Вт). При этом следует иметь в виду, что с увеличением диаметра сердцевины растет допустимый радиус изгиба волокна и его "жесткость". СИЭЛ является термоотверждаемым покрытием. Температура в печи обычно составляет 350…390⁰С и определяется длиной печи и скоростью вытяжки волокна с тем, чтобы за время пребывания в печи это покрытие успело бы полимеризоваться. СИЭЛ является мягким покрытием и его можно использовать в качестве первичного (тем более, что имеются модификации с ПП, равным 1,52, т.е. большим, чем ПП кварцевого стекла), однако скорость его полимеризации значительно уступает уретанакрилатным композициям (см. гл. 4). В качестве вторичного покрытия применяют полиамид (например, нейлон) или фторопласт (например,"Тефзель"). Значительная разность ПП кварцевого стекла и СИЭЛ позволяет получать ОВ с числовой апертурой до ~ 0,4 для коротких образцов (£10 м) и до 0,25 для более длинных образцов (£ 100 м).

Рис. 5.6. Спектральная зависимость потерь в ОВ типа «кварц-полимер»: 1- потери в кварцевом стекле, 2- потери в волокне, 3- потери в полимерном материале СИЭЛ.

Недостатком ОВ типа "кварц-полимер" являются значительно большие потери по сравнению с ОВ типа "кварц-кварц". На рис. 5.6. приведены спектральные зависимости потерь в кварцевом стекле, в полимере СИЭЛ и в ОВ типа "кварц-полимер". Эти зависимости показывают, что высокие потери в данных ОВ обусловлены потерями светоотражающего покрытия СИЭЛ, куда свет частично проникает. Но поскольку рабочая длина образцов редко превышает сотни метров, то этот недостаток не является критическим. Минимальные потери составляют обычно ~ 10 дБ/км в районе 0,8 мкм

Второй недостаток ОВ типа «кварц-полимер» связан с температурной зависимостью оптических параметров ОВ. На рис 5.7 (а) приведена зависимость ПП СИЭЛ от температуры. Видно, что до – 60⁰С ПП линейно возрастает с температурой. При температуре ниже – 60⁰С происходит резкое увеличение ПП, которое связано с кристаллизацией полимера. При обратном нагреве ход зависимости ПП от температуры будет несколько отличаться, что связано с гистерезисом. ПП резко уменьшается при нагреве выше – 40⁰С, а при температуре выше – 35⁰С ход прямой повторяется. На рис. 5.7 (б) показано изменение потерь в ОВ типа "кварц-полимер" в зависимости от температуры при использовании СИЭЛ в качестве светоотражающей оболочки. С понижением температуры оптические потери плавно возрастают, т.к. Dn уменьшается, а при температуре – 60⁰С они начинают резко возрастать из-за значительного уменьшения разности ПП кварцевой сердцевины и полимерной оболочки.

Рис. 5.7. Температурные зависимости показателя преломления СИЭЛ (а) и оптических потерь (б) в ОВ типа «кварц-полимер»