Розділ 10. Волокнооптичні лінії зв′язку

10.1. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ У СВІТЛОВОДАХ

Принцип дії волокносвітловодів. Винайдення в 1959-1961 рр. когерен­тних лазерних джерел світла дало початок розробкам оптичних ліній зв'язку, де переносниками повідомлень є світлові хвилі. Некогерентні джерела світла, що існували до того часу, були непридатні для зв'язку через їх широкосмуговість. Тому виникали непереборювані технічні труднощі в переда­ванні світлового променя та його модуляції первинними сигналами. Але характеристики атмосфери, що спочатку використовувалась як середовище поширення, виявились непридатними для високонадійних систем зв'язку через значне ослаблення світлових променів у дощ, туман, снігопад тощо. Тому було запропоновано для світлових хвиль 15-го діапазону з частотами 10¹⁴-10¹⁵ Гц (діапазон довжин хвиль 0,5-10,8 мкм) створювати спеціальні напрямні системи - світловоди. Найперспективнішими з них є діелектричні хвилеводи, або волокна, як їх називають через малі розміри поперечних перерізів.

Найпростіший світловід являє собою тонке волокно циліндричної форми, яке складається з осердя, що має показник заломлення , оболонки, що має показник заломлення , та зовнішнього покриття. Тут і - відносні діелектричні проник­ності матеріалів осердя та оболонки. Осердям передаєть­ся електромагнітна енергія у вигляді світлової хвилі, тому його виготовляють із матеріа­лу, якому властиві найменші діелектричні втрати (кварц, багатокомпонентне скло). Оболонка призначена для покращення умов відбиття на межі осердя - оболонка та зменшення випромінювання енергії в навколишній простір. В оболонці можна допустити значніші втрати, тому її виго­товляють зі звичайного скла або з пластмаси. Для захисту від зовнішніх заважаючих впливів (світлових, механічних) на оболонку світловоду наноситься полімерне покриття. Попере­чний переріз волокна і розподіл показника заломлення наведені на рис. 11.1.

Залежно від характеру зміни показника заломлення п розрізняють два типи світловодів: східчасті та градієнтні. Східчасті світловоди (рис. 11.1, а) мають постійне вздовж радіуса значення показника заломлення, східець спостерігається тільки на межі осердя - оболонка. У градієнтному світловоді (рис. 11.1, б) показник заломлення плавно змінюється від центру до краю осердя. Поширення променів у цих двох типів світловодів різне. Розглянемо цей процес докладніше.

Для ефективного поширення та запобігання переходу енергії в оболонку та навколишній простір необхідно усунути хвилі 2 і 3. А це досягається за умови повного внутрішнього відбиття на межі розділу двох середовищ: 1) перехід променів здійснюється із середовища з більшою оптичною густиною у середо­вище з меншою густиною, тобто ; 2) кут падіння більший за деякий кут повного внутрішнього відбиття , який визначається за співвідношенням

. (11.1)

При (промінь Ф₂ на рис. 11.2) енергія, що надійшла в осердя, по­вністю відбивається і зигзагоподібне поширюється у світловоді.

Режим повного внутрішнього відбиття витримується, якщо на вхідний торець світловоду подається світловий промінь у межах тілесного кута . Цей тілесний кут між оптичною віссю світловоду й однією з твірних світло­вого конуса, у межах якого має місце повне внутрішнє відбиття, називають апертурою. Для характеристики світловоду звичайно користуються число­вою апертурою

. (11.2)

Від значення числової апертури залежать ефективність введення випро­мінювання у світловід, втрати на мікрозгинах та інші параметри світловоду.

У градієнтному світловоді промені не відбиваються, як це має місце у світловоді зі східчастим профілем, а вигинаються в напрямку градієнта показ­ника заломлення. Внаслідок цього промені, що знаходяться всередині апертур­ного кута, поширюються уздовж осердя хвилеподібними траєкторіями (про­мінь 1 на рис. 11.3). Якщо промінь входить з торця світловоду в осердя під кутом, більшим за апертурний (промінь Ф₁ на рис. 11.3), будуть існувати також промені оболонки 2 та випромінювання 3. Характерною особливістю градієнт­них світловодів є менші спотворення переданих ними сигналів.

Типи хвиль (моди) у світловоді. Під час дослідження процесу поши­рення світлових променів у світловоді було встановлено, що з усієї сукупно­сті світлових променів у межах апертурного кута для кожного світловоду тільки обмежена кількість променів із дискретними кутами може утворювати направлені хвилі певного типу, які називають також хвилеводними модами. Ця назва надана тому, що світловід є за своєю суттю діелектричним хвилеводом. Фізично явище виникнення мод у світловодах можна пояснити інтерференцією хвиль із різними шляхами поширення. Існуючі у світловоді моди характеризуються тим, що після дворазового відбиття на межі осердя - оболонка промені приходять на вихід у фазі і додаються арифметичне. Для інших кутів фазові умови не виконую­ться, тому хвилі інтерферують так, що гасять одна одну.

У світловоді круглого перерізу, як і в круглому діелектричному хвилево­ді, можуть існувати змішані хвилі типу НЕ чи ЕН. Основна з них НЕ₁₁. Кожна мода має характерну тільки для неї структуру електромагнітного поля, фазову та групову швидкості (див. § 10.3).

Залежно від числа хвиль (мод), що поширюються у світловоді на робочій частоті, світловоди поділяють на одномодові та багатомодові. Число мод залежить від співвідношення між діаметром осердя і довжиною робочої хвилі . Якщо діаметр , у поперечному перерізі осердя укладається тільки одна хвиля, тобто спостерігається одномодовий режим; якщо - багатомодовий.

Одномодові світловоди мають електричні характеристики, кращі за багатомодові. Проте через малий діаметр осердя волокна вони менш надійні та втрачають більше енергії під час уведення променя у світловід. Число мод у градієнтному світловоді приблизно у два рази менше, ніж у двосхідчастому таких самих геометричних розмірів із такими самими значеннями і . Кращими є також електричні характеристики градієнтних світловодів.

10.2. ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ СВІТЛОВОДІВ

На відміну від двопроводових напрямних систем у світловодах, так само як і у хвилеводах, неможливо однозначно визначити більшість електричних параметрів і поділити їх на первинні та вторинні. Це пов'язано з тим, що параметри світловодів залежать від робочої частоти (довжини хвилі), методу збудження, моди. Але все ж таки початковими (первинними) можна вважати геометричні розміри осердя та оболонки, їх показники заломлення та , відносну різницю показників заломлення , тип хвилі (моду), що поширюється світловодом.

Для багатомодових світловодів діаметр осердя має розмір біля 50 мкм, а діаметр оболонки - 125 мкм. Діаметр осердя одномодового світловоду вибирається таким, щоб ним забезпечувались умови поширення тільки основної моди, а це виконується, коли нормована робоча частота, що визна­чається за формулою (де - діаметр осердя; - числова аперту­ра; - робоча довжина хвилі), більша за для двошарового східчас­того світловоду і менша за для градієнтного світловоду з параболічною зміною показника заломлення. Відносна різниця показників заломлення має значення 0,01 - 0,003.

До електричних параметрів світловодів, що характеризують передавання ними сигналів, можна віднести критичні частоту та довжину хвилі, ослаб­лення, дисперсію сигналу.

Критичні частота та довжина хвилі світловоду. Як і в будь-якому хвилеводі (див. §10.2), у світловоді існують критичні довжина хвилі та частота, їх можна знайти, якщо використати вираз (11.1) для кута повного внутрішнього відбиття та співвідношення між довжиною хвилі і діаметром світловоду : . Якщо врахувати, що , із виразу (11.1) дістанемо . Прирівняємо праві частини виразів для і дістаємо значення критичної довжини основної хвилі світловоду

. (11.3)

Критична частота

, (11.4)

де - групова швидкість поширення хвилі в осерді, ; - швидкість світла.

Якщо ввести у формули (11.3) та (11.4) параметр , що характеризує тип хвилі (моду) світловоду, можна отримати

; (11.5)

. (11.6)

Значення параметра для деяких типів хвиль (мод) подано в табл. 11.1. Індекс характеризує число змін поля за діаметром світловоду, а - за периметром.