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 = πdc√nc2 – nоб2/2,4, 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).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.