11. 2.         Передаточные свойства световода

Световодэлемент оптической системы, служащий для направленной передачи (канализации) света. В открытом пространстве передача световой энергии возможна только в пределах прямой видимости и связана с потерями, обусловленными начальной расходимостью излучения, по­глощением и рассеянием в атмосфере. Переход к световодам позво­ляет значительно уменьшить потери световой энергии, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

По конструкции различают световоды линзовые, воло­конные, планарные, полосковые (нередко называемые канальными) и другие. Рассмотрим волоконный световод, широко применяемый в цифровых волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

Волоконный световод состоит из диэлектрического волокна (сердцевины) с коэффициентом преломления , который превышает коэффициент преломления  () оболочки. Если световое излучение падает на вну­треннюю поверхность оболочки под углом , который больше угла полного внутреннего отражения ():

,                                                  (11.1)

то оно полностью отразится от оболочки и будет рас­пространяться в стеклянном волокне, даже если во­локно изогнуто (рис. 11.2). При этом угол падения света на входе в световод  не должен превышать определенного предельного значения . Зная это, можно получить из выражения (11.1):

.                              (11.2)

Величину AN называют численной апертурой волок­на. Она определяет максимальный угол при вершине светового конуса, воспринимаемого световодом. Чис­ленная апертура характеризует коэффициент связи между источником света и световодом.

Лучи света, попавшие в световод под разными углами (от  до ), распространяются по сердцевине волокна под различными углами к его оси. Поэтому они проходят по зигзагообразной траектории пути различной длины. Это, в свою очередь, приводит к раз­ным временам пробега вдоль световода и к уширению коротких световых импульсов во время их прохожде­ния по стеклянному волокну.

Более точное физическое описание передачи све­товых сигналов по световодам должно учитывать волновую природу света: световые волны могут интерферировать друг с другом в световоде. В резуль­тате свет может распространяться по волокну толь

ко под некоторыми определенными углами к оси. При­нято говорить, что по световоду могут распростра­няться лишь некоторые моды. Допустимые моды можно получить, решая электромагнитные волновые уравнения:

                        и         

с учетом граничных условий для данного световода. Здесь п – локальный коэффициент преломления. Об­щее число (N) мод, которые могут распространяться в световоде со ступенчатым профилем (см. рис. 11.2), вообще говоря, очень велико, поскольку диаметр серд­цевины световода (d) велик по сравнению с длиной волны света (К). Величина N приближенно вычисляется по формуле:

.

Очевидно, что поскольку свет разных мод распро­страняется под разными углами к оси волокна, то у этих мод различна и скорость распространения вдоль световода. В этом случае говорят о дисперсии мод. Она тоже приводит к определенному уширению светового импульса, которое уменьшается в так на­зываемых одномодовых волокнах: в них диаметр сердечника выбран таким малым, что может распро­страняться только одна мода:

.

К сожалению, мал
ый диаметр волокон приводит к трудностям при соединении световодов с источником и приемником, а также друг с другом.

Пренебрежимо малой дисперсией мод при боль­шом диаметре сердцевины обладают так называемые волокна с градиентным профилем. Если коэффициент преломления изменяется в поперечном сечении во­локна по параболическому закону (рис. 11.3), то вре­мена пробега всех мод по такому волокну практиче­ски одинаковы, а пучки света распространяются не по зигзагообразной, а по гладкой траектории. В та­ких волокнах максимальное значение входного угла  зависит от радиуса , поскольку коэффициент пре­ломления непостоянен. Значение  максимально на оси волокна, а на границе между сердцевиной и обо­лочкой оно падает до нуля (см. рис. 11.2).

Рис. 11.3. Ход лучей и распределение коэффициента преломления

в многомодовом оптическом волокне с градиентным профилем

Уширение импульса наблюдается и в одномодовых волокнах из-за дисперсии, связанной со свойствами материалов. Коэффициент преломления () материала, из которого изготовлен световод, зависит от дли­ны волны, а поскольку источник света, который под­соединен к световоду, немонохроматичен, то из-за различия  разность времен пробега возникает даже в одномодовом световоде. Особенно удобна область спектра вблизи 1,3 мкм, где дисперсия  кварцевого стекла минимальна и можно без проблем использо­вать источники света с широкой спектральной эмис­сионной полосой. Точное положение минимума дис­персии  зависит от добавок, вводимых в стекло.

В волокнах с градиентным профилем разброс времен пробега вызван остаточной дисперсией мод, а в одномодовых волокнах возникает дополнительный источ­ник дисперсии. Дополнительная дисперсия появляется из-за того, что фазовый коэффициент распростране­ния () для световода зависит от частоты. Эта зависи­мость определяется структурой световода. Такую дисперсию называют волноводной. Ее, как и диспер­сию, определяемую свойствами материала, можно скомпенсировать (т.е. обеспечитьтак называемая нулевую дисперсию), если правильно выбрать диаметр сердцевины волокна и разность коэффициентов пре­ломления, поэтому компенсированные волноводы обладают очень широкой полосой пропускания. Так, например, в одномодовых волокнах длиной 1 км ширина откли­ка на единичную импульсную контрольную функцию может быть ниже 10 пс.

Все три рассмотренных дисперсионных эффекта приводят к уширению единичного импульса, которое пропорционально пути (L), проходимому светом в све­товоде. В реальных многомодовых волокнах отдель­ные моды взаимодействуют друг с другом. Это при­водит к тому, что, начиная с некоторой критической длины световода (), уширение возрастает не только пропорционально L, но еще и пропорционально . Взаимодействие между модами приводит к тому, что независимо от распределения энергии по модам на входе волокна на его выходе (если длина превышает ) энергия света распределена по всем допустимым модам и описывается некоторым стационарным рас­пределением мощности по модам.

Другим важным параметром световодов является затухание света. Оно характеризуется уменьшением мощности светового излучения (Р). В многомодовых волокнах каждая мода имеет свой коэффициент зату­хания. Поэтому удобно описывать затухание с по­мощью упомянутого стационарного распределения света по модам. Мощность света в волокне экспонен­циально падает с увеличением длины (L):

.

Удобно, однако, пользоваться этой формулой в следующем виде:

.

На практике коэффициент затухания обычно изме­ряют в децибелах на метр (дБ/м):

mage_post/kvant_opt/pic201_6.gif>.

В волокне с затуханием дБ теряется 50  % мощности излучения.

Затухание излучения вызвано тремя основными причинами:

1) поглощением;

2) рассеянием в материале;

3) потерями излучения.

Потери на поглощение возникают за счет возбу­ждения электронов в примесях и молекулярных коле­баний ионов ОН-, которые пока не удается пол­ностью устранить при изготовлении волокон. Потери на рассеяние в принципе неизбежны. Основной вклад в эти потери вносит рэлеевское рассеяние на флуктуациях плотности материала волокон, размер кото­рых мал по сравнению с длиной волны. Эти потери уменьшаются пропорционально  и определяют ми­нимально возможный уровень потерь в стекле. Поте­ри на излучение возникают на неоднородностях в волноводе, а также на изгибах и микротрещинах.

На рис. 11.4 показана зависимость затухания све­та в слаболегированном кварцевом волокне от длины волны . Штриховая линия схематически показывает спектральную зависимость потерь на рэлеевское рас­сеяние. Хорошо видно, что область

длин волн вблизи 1370 нм не подходит для передачи оптических сигна­лов из-за сильного поглощения на ОН-. Вблизи 1,3 мкм дисперсия, вызванная свойствами материала,

достигает минимума при небольшом ослаблении сиг­нала. И потому эта область особенно удобна для пе­редачи оптических сигналов. Наиболее низкие коэф­фициенты ослабления наблюдаются вблизи 1,55 мкм: около  дБ/км. Однако применяемые сегодня источники и приемники света работают в основном в интервале длин волн от 0,75 до 0,9 мкм.

Передаточные свойства  световода  можно охарактеризовать с помощью весовой функции (функции отклика на единичный импульс) или с помощью комплексной частотной характеристики. В первом случае по волокну пропускают короткий лазерный импульс (продолжительностью менее 0,1 нс) и опре­деляют функцию отклика на другом конце волокна. Затем определяют функцию , а с помощью обратного преобразования Лапла­са – отклик на единичную импульсную функцию . При этом следует учитывать, что распределение мощности по модам в световоде должно быть как можно ближе к стационарному.

Для прямого измерения комплексной частотной ха­рактеристики  световое излуче­ние передатчика модулируется синусоидальным сигналом определенной частоты. При этом частота мо­дуляции меняется от наименьшего до наибольшего значения в интересующем нас интервале. Опыты та­кого рода показали, что комплексная частотная ха­рактеристика большинства световодов близка к харак­теристике гауссова фильтра нижних частот. Гранич­ная частота (ωg) соответствует уменьшению  вдвое:

.

Область частот от 0 до ωg на­зывают полосой пропускания оптического волокна.

В оптических кабелях световоды дополняются элемен­тами, повышающими эластичность и прочность кабеля. Конструктивно оптические кабели достаточно разнообраз­ны, но имеется и ряд общих особенностей (рис. 11.5). Све­товоды покрываются индивидуальной тонкой защитной пленкой, исключающей взаимные наводки между во

локна­ми. Затем жгут световодов объединяется общей оболоч­кой, сочетающей эластичность с некоторой жесткостью. Наружная оплетка обеспечивает прочность кабеля и его стойкость к внешним воздействиям в процессе эксплуата­ции. Все защитные оболочки являются полимерными.

Кроме волоконных иногда используют линзовые световоды, а в оптоэлектронных интегральных схемах нашли применение планарные и полосковые световоды.

Рис. 11.5. Конструкция оптических кабелей различного применения:

1 – волокно; 2 – упрочняющий элемент; 3 – внутренняя оболочка;

4 – наруж­ная оболочка

Линзовый световод – система последовательно располо­женных линз, заключенных в трубу. С помощью линз осу­ществляется периодическая коррекция волнового фронта свето­вого пучка. В качестве коррек