ТИПЫ ВОЛН В СВЕТОВОДАХ, КРИТИЧЕСКИЕ ДЛИНЫ И ЧАСТОТЫ

В сетоводах могут существовать два типа волн: симметричные E_0m , H_0m несимметричные дипольные EH_nm, HE_nm. В индексе n - число изменений поля по диаметру; m - число изменений поля по периметру. Симметричные волны электрические Е_0m и магнитные H_0m имеют круговую симметрию (n=0).

Раздельное распространение по световоду несимметричных волн типа невозможно. В световоде они существуют только совместно, т.е. имеются продольные составляющие Е и Н. Эти волны называются смешанными, дипольными и обозначаются через HЕ_nm , если поле в поперечном сечении напоминает поле Н, или EН_nm , если поле в поперечном сечении ближе к волнам Е.

Из всей номенклатуры смешанных волн в оптических кабелях наибольшее применение получила волна типа НЕ₁₁ (или ЕН₁₀). На этой волне работают одномодовые световоды, имеющие наибольшую пропускную способность

Представляет интерес сопоставить указанную классификацию электромагнитных волн с лучевой классификацией.

Как уже отмечалось, по волоконным световодам возможна передача двух видов лучей: меридиональных и косых. Меридиональные лучи расположены в плоскости, проходящей через ось волоконного световода. Косые лучи не пересекают ось световода.

Меридиональным лучам соответствуют симметричные электрические Е_0m и магнитныеH_0m волны, косым лучам - несимметричные гибридные EН_nm и HЕ_nm волны.

Если точеченый источник излучения расположен по оси световода, то имеются только меридиональные лучи и соответственно симметричные волны Е_0m , H_0m. Если же точечный источник расположен вне оси световода или имеется сложный источник, то появляются одновременно как меридиональные, так и косые лучи и свойственные им симметричные Е_0m , H_0m и несимметричные гибридные (EН_nm и HЕ_nm) волны.

Несимметричные волны типа E_nm и H_nm в волоконных световодах существовать не могут. Эти волны возбуждаются только в металлических волноводах.

Основное уравнение передачи по волоконному световоду для случая может быть значительно упрощено применительно к различным типам волн.

Для симметричных волн правая часть уравнения (8) равна нулю, тогда имеем два различных уравнения для электрической Е_0m и магнитной Н_0m волн:

для Е_0m

для Н_0m

Для смешанных дипольных волн можно получить следующие приближенные уравнения:

для НЕ_nm

для ЕН_nm

Для области часто, далеко отстоящих от критической частоты, можно воспользоваться более простыми выражениями:

для НE_nm

для ЕH_nm

Данные выражения позволяют определять структуру поля, параметры волн и характеристики волоконного световода при различных типах волн и частотах.

Каждый тип волны (мода) имеют свою критическую частоту и длину волны. Наличие критической частоты в волоконных световодах объясняется тем, что при очень высоких частотах почти вся энергия концентрируется внутри сердечника световода, а с уменьшением частоты происходит перераспределение поля и энергия переходит в окружающее пространство. При определенной частоте f_o - критической, или частоте отсечки, поле больше не распространяется вдоль световода и вся энергия рассиевается в окружающим пространстве.

Ранее были приведены следующие соотношения:

где - коэффициент фазы в световоде;

k₁ и k₂ - волновое число соответственно сердечника

и оболочки световода:

g₁ и g₂ - поперечное волновое число соответственно

для сердечника и оболочки.

а - радиус сердечника волокна.

Учитывая, что

получим .

Полагая, что r=a , произведем сложение левых и правых частей приведенных выражений

Для определения критической частоты f_o надо принять g₂=0. При всех значениях g₂>0 поле концентрируется в сердечнике световода, а при g₂=0 оно выходит из сердечника и процесс распространения по световоду прекращается. По закону геометрической оптики условие g₂=0 соответствует углу полного внутреннего отражения, при котором отсутствует преломленная волна, а есть толь падающая и отраженная волны. Тогда при g₂=0 имеем

Подставив в эту формулу значение , получим , откуда критическая частота световода .

Умножив числитель и знаменатель на параметр а (радиус сердечника), получим значение критической частоты

и критической длины волны

,

где g₁a- корни бесселевых функций.

Так как световоды изготавливаются из немагнитных материалов ( ), то

.

Принципиально аналогичный результат можно получить лучевым методом непосредственно из законов геометрической оптики путем сопоставления падающей, отраженной и преломленной волн на границе сердечник-оболочка световода.

Анализируя полученные соотношения, можно сказать, что чем толще сердечник световода и чем больше отличаются , тем больше критическая длина волны и соответственно ниже критическая частота волоконного световода. Из формул видно также, что при равенстве оптических характеристик, в первую очередь диэлектрической проницаемости сердечника и оболочки, т.е. при , критическая длина волны , а критическая частота и передача по такому световоду невозможна. Это имеет свое логическое обоснование: как уже сказано, волоконный световод работает на принципе многократного отражения от границы оптических несоответствий сердечника и оболочки, и эта граница является направляющей средой распространения электромагнитной энергии. При световод перестает действовать как направляющая система передачи.

Для определения критических частот различных типов волн рассмотрим корни ранее полученного выражения бесселевых функций J_0m(g₁a) для симметричных и J_nm(g₁a) для несимметричных волн. Эти равенства дают бесконечное число корней, значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Рассмотрим физический смысл приведенных в табл.1 корней бесселевых функций g₁a. Поскольку при отсечке g₂=0, т.е. , то из выражения имеем

Последнее выражение обратно пропорционально , т.е. прямо пропорционально критической частоте f₀ . Кроме того, оно включает в себя исходные параметры волокна: а, n₁, n₂. Данное выражение носит название нормированной частоты и в этом виде часто используется в световодной технике. Таким образом, нормированная частота

,

где - длина волны в вакууме.

При такой трактовке табл.1 содержит нормированные частоты для волн, тип которых указан в правой колонке таблицы, а индекс nm составлен из чисел левого столбца и верхней строки соответствующей клетке, в которой находится данная величина . Каждой соответствует критическая частота f₀.

При < имеем f<f₀, т.е. частота меньше критической и волна по сердечнику волокна не распространяется, другими словами не существует. Область существования волны, имеющей нормированную частоту отсечки > составляет f>f₀.

Из табл.1 видно, что для несимметричной волны НЕ₁₁ значение =0; следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердечника. Все другие волны не распространяются на частотах ниже критической. Табл.1 можно преобразовать и привести к следующему виду (табл.2)

Таблица 2

Из табл.2 следует, что с увеличением частоты появляются новые типы волн. Так, начиная с =2,405 появляются волны H₀₁, E₀₁, HE₂₁, при =3,832 возникают дополнительные волны HE₁₂, EH₁₁, HE₃₁ и т.д.

Итак, интервал значений =g₁a, при которых в световоде распространяется лишь один тип волн НЕ₁₁, находится в пределах 0< <2,405, поэтому при выборе частоты передачи или толщины сердечника одномодового световода исходят из этого условия :

.

Одномодовый режим практически достигается при применении очень тонких волокон, равных по диаметру длине волны . Кроме того, надо стремиться к уменьшению разницы между показателями преломления сердечника и оболочки .

Диаметр сердечника волоконного световода для одномодовой передачи может быть определен из следующей формулы:

.

Пример: для световода из стекловолокна с показателем преломления сердечника 1,48 и показателем преломления оболочки 1,447 при волне Е₀₁ длиной 1,55мкм для одноволновой передачи получим

мкм

ЗАТУХАНИЕ

Важнейшими параметрами световода являются оптическое потери и соответственно затухание передаваемой энергии. Эти параметры определяют дальность связи по оптическому кабелю и его эффективность.

Затухание световодных трактов обусловлено собственными потерями в волоконных световодах ( ) и дополнительными потерями, так называемыми кабельными ( ), обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля, т.е.

.

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения ( ) и потерь рассеивания , т.е.

.

Потери на поглощение существенно зависят от частоты материала и при наличии посторонних примесей ( ) могут быть значительными.

В результате

. (1)

Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существенно зависит от свойств материала световода.

Потери обусловлены комплексным характером показателя преломления n_д+jn_м, который связан с тангенсом угла диэлектрических потерь выражением

.

Затухание в результате поглощения определяется отношением потерь в световоде Р_п к удвоенному значению полной мощности Р, распространяющейся по волоконному световоду. Учитывая, что Р_п=GU², Р=U²/Z, получим:

,

где U - напряжение;

G- проводимость материала световода;

Z - волновое сопротивление световода.

Так как , а , получим:

Выражая через комплексный показатель преломления, получаем

Если коэффициент преломления имеет действительное значение n=n_д, то =0 и потери на поглощение отсутствуют.

Из формул видно, что частотная зависимость затухания в результате поглощения имеет линейный характер при постоянных значениях n.

Невозможно избежать поглощения света в стекловолокнах. Даже чистейший кварц сильно поглощает свет на определенных длинах волн. Так, например, на длинах волн меньших 1,3 мкм имеет место ультрафиолетовое поглощение, а на длинах волн, больших 1,3 мкм - инфракрасное поглощение, которое с увеличением длины волны растет и около 1,6 мкм становится настолько значительным, что и является тем фактором, которое ограничивает применение кварцевых волокон для длин волн больше приведенной.

Для изменения показателя преломления волокна используются различные легирующие добавки. Некоторые из них, например, бор (В₂О₃) имеют большее естественное поглощение, а некоторые, например, германий (GeO₂) - меньшее. В настоящее время при производстве стекловолокон используют легирующие добавки с низкими потерями на поглощение.

На ранних этапах развития оптических волоконбольшую часть примесей составляли ионы металлов. Но в настоящее время эти примеси существенно малы в современных высококачественных волокнах, и единственной оставшейся значительной примесью является гидроксильная группа ОН. На длине волны 2,73 мкм вследствие теплового движения в этой группе атомов водорода и кислорода возникают резонансные явления, которые вызывают максимальное поглощение в стекловолокне. И если указанный пик поглощения находится вне рабочего диапазона длин волн кварцевого стекловолокна, то сопутствующие гармоники оказывают непосредственное воздействие на волокна в диапазоне длин волн от 0,7 до 1,6 мкм и вызывают три пика поглощения.

Рассеяние света в волоконном световоде в основном обусловлено наличием в материале сердечника мельчайших (около одной десятой доли длины волны) случайных неоднородностей.

При рассеянии света в волокне лучи расходятся в новых направлениях, часть из которых имеет меньший угол падения, чем угол полного внутреннего отражения. Одни лучи, при этом, покидают сердечник и уходят в оболочку, а другие остаются в сердечнике, но распространяются обратно к источнику излучения (рис. 1).

Такое рассеяние присутствует в любом волоконном световоде и получило название Релеевского рассеяния.

Затухание на рассеяние рассчитывается по формуле:

где С - коэффициент релеевского рассеяния;

К - постоянная Больцмана;

Т - температура перехода;

- сжимаемость.

Даже при отсутствии легирующих добавок чистое кварцевое стекло имеет коэффициент релеевского рассеяния С=0,75 мкм⁴дБ/км. Легирующие добавки, которые необходимы для изменения показателя преломления сердечника световода, увеличивают степень неоднородности стекла. Поэтому, чем больше , тем больше потери вследствие релеевского рассеяния.

Так для многомодового градиентного стекловолокна, легированного германием и фосфором, коэффициент релеевского рассеяния рассчитывается по формуле:

, мкм⁴дБ/км.

Это означает, что при =1% на длине волны 1,31 мкм величина потерь вследствие релеевксого рассеяния для многомодового градиентного световода составляет 0,39 дБ/км.

К кабельным потерям относятся потери на макроизгибы, микроизгибы и вследствие неоднородности изготовления.

Потери на макроизгибы обусловлены изменением геометрии луча пр изгибах оптического кабеля. Рассмотрим появление таких потерь на примере световода со ступенчатым профилем показателя преломления (рис.2).

R     Рис.2

На изгибе луч образует угол падения ₂ < ₁, а, следовательно, нарушается условие полного внутреннего отражения ( ₂< _c). Такой луч преломляется и рассеивается в окружающем пространстве (оболочке).

В многомодовых градиентных световодах моды высших порядков, распространяющиеся вблизи границы сердечник-оболочка, имеют малые значения угла падения ₁, поэтому при сворачивании такого световода в круг в первую очередь теряются именно именно эти моды. Затухание за счет макроизгибов рассчитывается по формуле:

,

где g - коэффициент, определяющий вид профиля

показателя преломления;

2а - диаметр сердечника световода

R- радиус изгиба.

Изгибы одномодовых волокон вызывают непрерывную утечку мощности из моды. Эти непрерывные потери рассчитываются по формуле:

,

где - длина волны, соответствующая значению

нормированной частоты .

Потери от микроизгибов возникают в результате случайных отклонений волокна от его прямолинейного состояния (рис. 3).

Размах таких отклонений составляет менее 1 мкм, а протяженность - менее милиметра. Подобные случайные отклонения могут появляться в процессе наложения защитного покрытия и изготовления из стекловолокон кабеля, в результате температурных расширений и сжатий непосредственно волокна и защитных покрытий.

Микроизгибы в многомодовых волокнах приводят к переходу части энергии с одних мод на другие. Потери на микроизгибы в таких волокнах не зависят от длины волны и рассчитываются по формуле:

,

где - k - коэффициент, зависящий от амплитуды и длины

микроизгибов;

а - радиус сердечника стекловолокна;

b - диаметр оболочки.

В одномодовых волокнах, в отличие от многомодовых, потери вследствие микроизгибов зависят от длины волны. Если потери вследствие микроизгибов для многомодового волокна с диаметром сердечника 50 мкм и =1,0% составляют , то потери для одномодового волокна рассчитываются по формуле:

,

где - радиус поля моды.

На первый взгляд кажется, что с увеличением длины волны затухание на микроизгибы уменьшается. Однако, происходит увеличение потерь, т.к. с увеличением длины волны растет радиус поля моды

,

где .

Оболочка   Сердечник     Оболочка   Рис. 4

Неоднородности изготовления, например, изменение размеров диаметра или круглой формы сердечника, наличие пустот в стекле и дефектов на границе сердечник оболочка, неравномерное распределение легирующих добавок могут вызвать потери на рассеяние (рис. 4).

Рассмотрим зависимость затухания от частоты и длины волны.

Из приведенных выше данных очевидно, что оптические потери увеличиваются с ростом частоты. При этом затухание на поглощение возрастает по линейному закону, а затухание на рассеяние увеличиваются значительно быстрей, по закону квадратичной параболы. Обычно потери на рассеяние превышают потери на поглощение (рис. 5).

р   п р НЕ11 п   Н01, Е01     f0 f Рис. 5

Из графиков видна принципиальная разница между характеристиками затухания симметричных (Е₀₁, Н₀₁) и смешанных (НЕ₁₁) волн. Симметричные волны имеют критическую частоту f₀, ниже которой передача невозможна. Смешанная волна не имеет критической частоты и затухание растет плавно во всем частотном диапазоне.

Наибольший интерес представляет зависимость затухания от длины волны (рис. 6).

В целом затухание с увеличением длины волны уменьшается. Однако, на отделных длинах волн (0,95; 1,25 и 1,39 мкм) возникают всплески затухания, которые обусловлены резонансными явлениями в гидроксильных группах ОН. На длине волны более 1,6 мкм затухание возрастает за счет потерь на поглощение в инфракрасной области спектра. Между пиками затухания находятся три области с минимальными оптическими потерями, которые получили название окон прозрачности. С увеличением номера окна затухание уменьшается. Так 1 окно прозрачности наболюдается на длине волны 0,85 мкм, на

дБ/км         3 1 окно ОН ОН   2 ОН 2 окно 3 окно ИК     0 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 . мкм Рис. 6

которой величина затухания составляет 2-4 дБ/км. 2 окно прозрачности соответствует длине волны 1,3 мкм, на которой затухание составляет 1,0-1,5 мкм 3 окно прозрачности наблюдается на длине волны 1,55 мкм, на которой затухание составляет 0,5-0,2 дБ/км. Таким образом, целесообразно, чтобы оптические системы передачи по волоконным световодам работали именно на указанных длинах волн, которые получили название рабочих. В настоящее время наибольший интерес вызывают два последних окна прозрачности, которые обеспечивают наименьшее затухание и максимальную пропускную способность волоконных световодов.

ДИСПЕРСИЯ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ.

В световодах при передачи импульсных сигналов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседние импульсы перекрывают друг друга.

Данное явление в теории световодов носит название дисперсии. В курсе физики дисперсией называется распространение синусоидальных волн разных частот с различными фазовыми скоростями. Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивают длину участка регенерации. Дисперсия также ограничивает ширину полосы пропускания световода.

Рассмотрим явление дисперсии более подробно. Распространение импульса электромагнитной энергии по световоду может быть представлен в виде ряда лучей, как показано на рис. 1.

Т 2 kТ   Импульс Импульс на входе на выходе   Рис. 1

Аксиальный луч (1) распространяется вдоль оптической оси и проходит расстояние . Время пробега при этом составит

где - фазовая скорость электромагнитной волны.

Время пробега того же расстояния наклонным лучом с максимально возможным значением угла

.

Так как максимальное значение определяется углом полного внутреннего отражения _с, то

Когда эти два луча, переносящие электромагнитную энергию, складываются вместе, наклонный луч по сравнению с аксиальным лучом имеет временное запаздывание

Это приводит к тому, что форма выходного импульса по сравнению со входным импульсом искажается, импульс расширяется во времени (рис. 1). Такое явление называется межмодовой (модовой) дисперсией ( ) и проявляется в многомодовых световодах. Однако данный вид дисперсии не единственный в волоконных световодах.

Дисперсия определяется тремя главными составляющими:

-межмодовой;

-волноводной;

-материальной.

Волноводная ( ) характеризуется зависимостью групповой скорости моды от длины волны, а материальная ( ) - зависимостью коэффициента преломления материала световода от длины волны.

Результирующая дисперсия может быть рассчитана по формуле:

.

Различные виды дисперсии проявляются по-разному в различных типах волоконных световодов. В ступенчатых многомодовых оптических волокнах доминирует межмодовая дисперсия, которая рассчитывается по формуле:

,

где .

Вреальных ступенчатых волоконных световодах расширение импульса составляет =20 нс/км.

В градиентных волоконных световодах модовая дисперсия практически отсутствует. Это объясняется параболическим профилем показателя преломления сердечника стекловолокна (рис. 2).

n2 n1     Рис. 2

Аксиальный луч (1) проходит меньший путь, но в среде с большим показателем преломления. Периферийный луч (2) проходит больший путь, но в среде с меньшим показателем преломления. В результате время пробега лучей выравнивается и расширение импульса за счет модовой дисперсии практически отсутствует, т.к. составляет =50 пс/км, что в 400 раз меньше, чем в аналогичных по размерам ступенчатых многомодовых световодах.

Тем не менее расчет межмодовой дисперсии d в градиентных световодах производится по формуле:

.

В одномодовых световодах модовая дисперсия отсутствует и расширение импульса определяется внутримодовой дисперсией, т.е. уширение импульса в пределах каждой моды, которая вызвана материальной и волноводной дисперсиями, .

Для определения внутримодовой дисперсии необходимо воспользоваться понятиями фазовой и групповой скоростями распространения электромагнитных волн.

В соответствии с основными положениями электродинамики в однородных средах плоская электромагнитная волна распространяется с фазовой скоростью

и групповой скоростью .

Для недисперсионной среды фазовая скорость не зависит от частоты, и тогда групповая скорость равна фазовой скорости. Подставим в выражение для групповой скорости , продифференцируем и получим . Однако, в дисперсионных средах, где фазовая скорость электромагнитной волны является функцией частоты, _ф и _гр имеют разные значения.

Для дисперсионной среды, где показатель преломления зависит от частоты, вводится групповой показатель преломления

.

Учитывая, что

,

выражение для группового показателя преломления можно записать в виде

и групповую скорость .

Тогда можно определить время распространения импульса электромагнитной энергии через дисперсионную среду длиной :

.

Если среда обладает дисперсией и ширина спектра излучения срставляет , то световые импульсы при распространении расширяются:

Ширину спектра излучения обычно определяют по уровню половинной мощности. Удобно ввести относительную величину спектра излучения

.

Тогда после распространения импульса в дисперсионной среде на расстояние ширина его на уровне половинной мощности определится следующим соотношением:

.

Для оценки уширения импульса вводится понятия среднеквадратического отклонения, которое принимается на уровне 0,6 от максимальной мощности импульса гауссовой формы (рис3).

Рвх Рвых 0,6Рвх 0,6Рвых     Рис. 3

Тогда уширение импульса за счет волоконного световода определится:

.

Среднеквадратическое уширение импульса, обусловленное внутримодовой дисперсией рассчитывается по формуле:

где - километрическое среднеквадратическое

отклонение длины волны основной моды;

М - коэффициент удельной материальной дисперсии;

N₂- групповой показатель преломления в материале

оболочки;

V - нормированная частота;

- нормированное время пробега.

Первый член приведенного выражения определяется дисперсией материала, второй - волноводной дисперсией.

Для определения материальной дисперсии воспользуемся трехчленной дисперсионной формулой Селмейера, которая характеризует спектральную зависимость показателя преломления стекол в диапазоне 0,6 - 2 мкм

,

где коэффициенты А_i и l_i (i=1,2,3) определяются экспериментально.

Возьмем производную от приведенного выражения по .

Производная от первого слагаемого

Аналогично для i-го члена

Тогда производная определится

Возьмем вторую производную по .

Производная от первого слагаемого

Аналогично для i-го члена

Тогда коэффициент удельной материальной дисперсии определится

Таким образом, материальная дисперсия представляет собой расширение импульса при прохождении электромагнитной волны в большом объеме стекла. Определяется зависимостью показателя преломления от длины волны и это означает, что различные длины волн распространяются с различной скоростью.

Волноводная дисперсия представляет собой расширение импульса, которое происходит вследствие того, что электромагнитная волна, заключенная в некоторую среду, зависит от ее волноводной структуры. Действительно, с увеличением длины волны возрастает диаметр поля моды, а так как в одномодовых световодах волна распространяется не только в сердечнике, но и частично в оболочке, все большая часть мощности импульса сосредотачивается в оболочке, показатель преломления которой относительно мал. Скорость распространения такой волны меняется, что и приводит к расширению импульса.

M( ), B( ) пс/нм км 150       50 со смещенной дисперсией B( ) традиционная 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 , мкм M( ) -50   Рис. 4

Рассмотрим действие материальной и волноводной дисперсий в одномодовой волоконном световоде ( рис. 4).

С увеличением длины волны удельная материальная дисперсия уменьшается и на длине волны 1,3 мкм принимает отрицательные значения. Длина волны, при которой дисперсия равна нулю, называется длиной волны нулевой дисперсии ( ).

Волноводная дисперсия несмещенных волокон представляет собой относительно небольшую величину и находится в области положительных чисел. Создавая стекловолокна со смещенной дисперсией, основу которой составляет ее возросшая волноводная компонента, появляется возможность скомпенсировать материальную дисперсию и сдвинуть нулевую дисперсию в длинноволновую область, т.е. к третьему окну прозрачности ( =1,55 мкм). Данный сдвиг осуществляется уменьшением диаметра сердечника, увеличением и использованием треугольной формы профиля показателя преломления сердечника

КОНСТРУКЦИЯ И МАТЕРИАЛ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.

Оптические волокна можно разделить на следующие типы: кварцевые, кварц-полимерные и полимерные.

Кварцевые оптические волокна изготавливаются из высокочистого кварцевого стекла (сердечник и светоотражающая оболочка) и применяются для систем дальней, внутри- и межобъектовой связи.

Кварц-полимерные оптические волокна изготавливаются с кварцевым сердечником и полимерной светоотражающей оболочкой и предназначены для систем внутри- и межобъектовой связи.

Полимерные оптические волокна изготавливаются из полимерных материалов, имеющих высокие оптические свойства, и используются для некоторых систем внутриобъектовой связи, подсветки, декоративного оформления и в медицине.

Для изготовления оптических волокон, которые используются для передачи сигналов в основном на большие расстояния, применяются материалы, обладающие минимальными потерями и высокой прозрачностью. Материал сердечника должен иметь очень маленькие потери на поглощение и рассеивание. Этому требованию удовлетворяют гомогенные (отсутствие каких-либо следов фазового разделения) стекла высокой чистоты и качества.

Стекло - это аморфное твердое тело, состоящее из элементов или химических соединений, которые встречаются и в кристаллическом состоянии. В кристалле эти компоненты образуют регулярную решетку (например, плавленный кварц состоит из SiO₄- тетраэдов), в стекле они составляют нерегулярный каркас.

Самым низким поглощением в видимой области и ближней инфракрасной областях длин волн среди большинства стекол обладает плавленный кварц при условии высокой степени очистки и гомогенности. Кварц имеет значительные преимущества перед остальными видами стекол из-за малых внутренних потерь на рассеивание. Высокая точка плавления кварца требует специальной технологии для изготовления оптического волокна и позволяет избавиться от различных примесей, которые испаряются при меньших температурах.

Небольшой показатель преломления плавленного кварца n=1,4585 заставляет легировать кварцевое стекло при изготовлении сердечника и светоотражающей оболочки. Добавки увеличивают или уменьшают значение показателя преломления до необходимых значений при сохранении прочих характеристик на уровне характеристик чистого кварца. Для уменьшения показателя преломления плавленного кварцевого стекла могут применяться добавки окиси бора, фтора, а для увеличения - окиси германия, фосфора, титана, алюминия.

Кроме неорганических материалов для изготовления оптических волокон используют стеклообразные органические высокомолекулярные полимерные материалы с продольной ориентацией молекул, которая придает пластичность волокну. К этим материалам можно отнести полиметилметакрилат, полистирол, фторополимер и др.

Для светоотражающих оболочек оптических волокон кварц-полимер могут использоваться полимерные материалы, показатель преломления которых ниже показателя преломления плавленного кварца. Эти материалы характеризуются малым поглощением в видимой и инфракрасной областях спектра. К ним относятся некоторые силиконовые полимеры и тефлон.

Для защиты оптического волокна от физических и химических воздействий внешней среды применяются защитные покрытия из полимерных материалов.

Основные требования, предъявляемые к полимерному покрытию, заключаются в следующем:

- материал покрытия должен быть достаточно жестким для того, чтобы предохранять волокно от механических повреждений;

- покрытие должно быть толстым, эластичным и однородным по всей длине волокна с тем, чтобы, являясь буфером, предохранять волокно от микродеформаций;

- материал, используемый для изготовления покрытия должен задерживать распространение механических колебаний в оболочке оптического волокна;

- покрытие должно быстро отверждаться, прежде чем волокно достигнет тяговой шайбы.

Подобрать полимерный материал, отвечающий всем требованиям, практически не представляется возможным. Поэтому защитное покрытие выполняется многослойным.

Первый слой выполняется на основе эпоксидных лаков, тефлона или расплава полимера.

Вторая, или основная, оболочка выполняется из фторопласта, полипропилена, нейлона, капрона, полиэтилена высокого и низкого давлений. Наиболее часто используется нейлон-12, поскольку он практически не вызывает микроизгибов оптического волокна.

Между первичным и основным слоями в последнее время стали наносить демпфирующий слой из мягкого полимерного материала, например полиуретана. Демпфирующий слой сводит до минимума влияние температурны, внешнего давления, приводящих к возникновению микроизгибов, так как оптическое волокно может перемещаться внутри демпфирующего слоя.

Рассмотрим типовые размеры и некоторые характеристики наиболее распространенных многомодовых и одномодовых кварцевых волокон.

Многомодовые волокна классифицируются по размеру диаметров сердечника и оболочки, которые разделяет дробная черта /. Например, волокно 50/125 имеет диаметр сердечника 50 мкм и диаметра оболочки 125 мкм. Иногда информации только о размерах недостаточно, чтобы однозначно определить волокно, так как один и тот же размер может иметь различные и числовую апертуру.

В табл. 1. приведены характеристики наиболее распространенных многомодовых стекловолокон.

Волокно 50/125. Это волокно (с обеими апертурами) было первым основным телекоммуникационным волокном, которое использовалось совместно с лазерными излучателями для организации связи на значительные расстояния. В настоящее время оно используется для расширения ранее созданных многомодовых магистральных систем и локальных вычислительных сетей учреждений. Из-за широкого применения 50/125 волокна оно стало своеобразным стандартом, с которым сравнивают другие многомодовые волокна.

Таблица 1

Диаметры сердечника/оболочки (мкм)	(%)	Числовая апертура
50/125	1,0 1,3	0,20 0,23
62,5/125	1,9	0,275
85/125	1,7	0,26
100/140	2,1	0,29

Волокно 62,5/125. С уменьшением стоимости изготовления оптических волокон данный размер получает все большее распространение при использовании их в отдельных сегментах телекоммуникационных сетей, в частности в качестве фидеров абонентского контура. Несколько больший размер диаметра сердечника позволяет использовать в качестве источников излучения светодиоды. Данное волокно наименее чувствительно к оптическим потерям вследствие микроизгибов.

Волокно 85/125. Они разработаны специально для локальных вычислительных сетей и работают от светодиодных источников. Недостатком стекловолокна является наибольшая чувствительность к оптическим потерям вследствие изгибов. Именно по этой причине данные стекловолокна получили наименьшее применение.

Волокна 100/140. Разработаны для низкоскоростной передачи передачи информации на незначительные расстояния в сетях с большим числом ответвлений. Большой диаметр сердечника обеспечивает максимальную эффективность при вводе излучения в стекловолокно, что прдъявляет наименьшую требовательность к оконечной заделки волокон. Однако нестандартный размер оболочки создает необходимость использования нестандартных коннекторов, которые несколько дороже аналогичных устройств для размера оболочки волокна125 мкм .

Одномодовые волокна.Часто упускают из виду, что эксперименты с одномодовыми волокнами предшествовали экспериментам с многомодовыми волокнами с градиентным профилем показателя преломления. Исследования, выполненные в 70-х годах привели к заключению, что одномодовые волокна из-за жестких требованиям при вводе излучения не имеют практической ценности, что предопределило бурное развитие многомодовых волокон. Однако, исследования по разработке одномодовых технологий продолжались и в 1984 г. они были внедрены с большим коммерческим успехом. В настоящее время одномодовые волокна фактически заменили многомодовые во многих волоконно-оптических приложениях. Пока еще одномодовые волокна не используются в частных и локальных вычислительных сетях. Однако и здесь активно изучается возможность их применения. Основные данные одномодовых стекловолокон приведены в табл. 2.

Таблица 2

Тип оболочки	Волокна с несмещенной дисперсией ( =1,31 мкм)	Со смещенной ( =1,55 мкм)
	Диаметр поля моды (мкм)	Диаметр сердечника (мкм)	(%)	Диаметр поля моды (мкм)
Выровненная оболочка	10,0 9,5	9,0 8,3	0,28 0,36	- 8,1
Вдавленная оболочка	8,8	8,3	0,30(0,37)	7,0

Рассмотрим процесс создания оптических волокон.

Для получения оптических волокон с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от примесей и получить химически чистое стекло. В настоящее время наибольшее применение получили два метода создания оптических волокон с малыми потерями: путем химического осаждения из газовой фазы и двойного тигля.

Получение волокон путей химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготавливается двухслойная кварцевая заготовка, а затем из нее вытягивается волокно. Заготовка выполняется следующим образом (рис. 1).

3 1 6   О2   SiCl4   t0 t0 О 2     Ge t0 Рис. 1 1 - опорная трубка; 2 - нагревательный элемент; 3 - хлорированный кварц; 4 - германий; 5 - откачка газа; 6 - осаждаемые слои

Во внутрь полой трубки из кварца с показателем преломления n₂ длиной 0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца (SiCl₄) и кислорода (О₂). В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700⁰С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц (SiO₂). Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900⁰С), за счет которой происходит схлопывание, и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку. Чистый осажденный кварц затем становится сердечником оптического волокна с показателем преломления n₁, а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления n₂.

После этого при температуре размягчения стекла (1800...2200⁰С) производится вытяжка волокна из заготовки, наложения первичного покрытия и намотка волокна на приемный барабан (рис. 2). Из заготовки длиной 1 м получается свыше 1 км оптического волокна.

Достоинством данного метода является не только получение оптического волокна с сердечником из химически чистого кварца, но и возможность создания градиентных волокон с заданным профилем показателя преломления.

1   t0 t0   2     3   Рис.2 1- заготовка; 2- волокно; 3- приемный барабан

1 n1 3     n2     n1 n2 5   Рис Поделиться: Дата добавления: 2015-04-04; просмотров: 1039; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав ⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒