Основные типы длинных линий. Колебательные системы с распределенными параметрами (10-11 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 13

В оптическом диапазоне используют в основном немагнитные материалы (μ = 1), свойства которых описываются показателем преломления п = √ε. Диэлектрические линии, применяемые в оптическом диапазоне волн, называются световодами. Наиболь­шее применение находят волоконные световоды.

Волоконный световод (BС) представляет собой цилиндричес­кую многослойную конструкцию, состоящую из сердцевины, обо­лочки и защитного покрытия с показателями преломления соот­ветственно nc, nоб, n3, подчиняющимися условию nc > nоб > n3. Поперечное сечение волоконного световода показано на рис. 10.14. Волны распространяются в сердцевине, испытывая полное внут­реннее отражение на ее границе с оболочкой. Возникающая при этом поверхностная волна распространяется в оболочке. Таким об­разом, энергия, переносимая волнами по световоду, сосредото­чена в сердечнике и оболочке.

Рис.   10.14.  Поперечное сечение волоконного световода

Диэлектрик для сердцевины и оболочки ВС должен обладать очень малыми потерями. Для передачи сигналов на большие рас­стояния в качестве материала сердцевины и оболочки почти ис­ключительно применяется высокоочищенный от примесей плав­леный кварц. Для световодов небольшой длины иногда сердцеви­ну и оболочку выполняют из полимерных материалов. Полимер­ные ВС характеризуются значительно большим затуханием волн, чем кварцевые, но существенно дешевле.

Типовая спектральная зави­симость коэффициента затуха­ния в кварцевом ВС показана на рис. 10.15, на котором видно, что в спектральной зависимости су­ществует три окна прозрачнос­ти для распространяющихся сиг­налов в узких спектральных ди­апазонах с центрами на длинах волн 850, 1300 и 1550 нм. Между вторым и третьим окнами прозрачности существует пик поглощения на длине волны 1400 нм. Этот пик обусловлен наличием в кварце гидроксильных групп ОН.

Рис. 10.15. Типовая спектральная зависимость коэффициента затухания в кварцевом ВС

Защитное покрытие ВС выполняется из полимерных материа­лов. Оно служит для защиты световода от внешних механических и климатических воздействий. Внешний диаметр ВС с защитным покрытием составляет 250 мкм.

По ВС могут распространяться такие же типы волн, что и в диэлектрическом волноводе. Основной модой в ВС является гиб­ридная волна НЕ11. Диапазон волн, в котором в ВС существует только одна основная мода, отделяется от диапазона существования мно-

гих высших мод длиной волны отсечки λотс = πdcnc2nоб2/2,4, где dc_ диаметр сердцевины. Для расширения диапазона одномодового режима работы ВС необходимо уменьшать длину волны отсечки. Этого можно добиться уменьшением диаметра сердцевины dcили уменьшением разности показателей преломления сердцевины и обо­лочки пс - nоб. Современные одномодовые ВС имеют следующие параметры: dс= 4... 10 мкм, пс - nоб = 0,003...0,005, doб = 125 мкм, где doб - диаметр оболочки.

Увеличение диаметра сердцевины улучшает условия возбужде­ния основной моды, снижает требования к параметрам источни­ка излучения и условию сочленения световодов, позволяет вво­дить повышенную мощность излучения в световод, что важно для надежной передачи сигналов на большие расстояния и для пере­дачи многоканальных сигналов. Однако при больших значениях dc приходится выбирать малое значение разности показателей пре­ломления сердцевины и оболочки. Это приводит к ухудшению условий распространения основной моды и повышает чувстви­тельность ВС к внешним воздействиям и изгибам. При уменьше­нии диаметра сердцевины dcи увеличении разности показателей) преломления пс - nоб улучшаются условия ввода энергии в ВС от одномодового лазера, но резко повышаются требования к точно­сти при стыковке световодов. Таким образом, для оптимизации параметров ВС в одномодовом режиме необходим некоторый ком­промисс при выборе значений dcи nс - nоб.

Дисперсия в одномодовом световоде обусловлена частотной зависимостью фазовой скорости основной моды и показателя пре­ломления кварцевого стекла. Она ограничивает полосу передавае­мых по ВС частот и тем самым вносит искажения в передаваемые сигналы. Импульсные сигналы при распространении по световоду вследствие дисперсии будут расширяться. При этом величина рас­ширения зависит как от степени дисперсии, так и от длины ВС. Расширение импульса эквивалентно сужению полосы пропуска­ния световода и оценивается коэффициентом широкополосностщ имеющим размерность МГц-км. Уширение импульсов оценивает­ся величиной километртеского уширения, выраженной в наносе­кундах на километр (не/км). Экспериментально выявлено, что кварцевые одномодовые ВС имеют минимальную дисперсию в области длин волн 1,3... 1,4 мкм. В этой области световоды имеют также наибольшую полосу пропускания.

Для передачи небольших объемов информации на расстояния до нескольких десятков километров применяют более простые в изготовлении и дешевые многомодовые световоды с параметрами dc= 50 мкм,  dоб = 125 мкм. Увеличенный диаметр сердцевины многомодового ВС по сравнению с одномодовым позволяет приме­нять простые и дешевые источники излучения и обеспечивает менее жесткие требования к устройствам соединения световодов.

Из-за значительного диаметра dcсигналы по многомодовому световоду переносятся большим количеством мод высших типов (порядка 1000). Каждую такую моду можно представить в ВС лучом, падающим на границу сердечника и оболочки под определенным углом, превышающим φпо. Ход лучей и распределение показателя преломления в ступенчатом многомодовом ВС показаны на рис. 10.16.

Рис. 10.16. Ход лучей и распределение показателя преломления в ступен­чатом многомодовом ВС

На этом же рисунке показан и ступенчатый закон распределения показателя преломления в ВС. Ломаные траектории разных лучей имеют разную длину для фиксированной длины световода. Это яв­ляется причиной модовой дисперсии в многомодовом световоде, связанной с разными фазовыми скоростями мод. Модовая дисперсия является основным видом дисперсии в многомодовом световоде и сильно уменьшает его эквивалентную ширину полосы по сравне­нию с одномодовым световодом. Лучшие образцы ступенчатых многомодовых ВС имеют эквивалентную ширину полосы не более 100 МГц-км (у одномодовых ВС она доходит до нескольких ГГц-км).