Световод – элемент 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