Оптические волокна: классификация, геометрические параметры, дисперсия, нелинейные эффекты.

Оптическое волокно - двухслойная цилиндрическая кварцевая медь, которая состоит из сердцевины и оболочки. Типовые размеры ОВ: 8/125; 50/125; 62,5/125, где первое значение – диаметр сердцевины, второе – диаметр оболочки. Под модой понимают вид траектории, вдоль которой распространяется световой луч в ОВ. Число мод от 1 до 100 000, и зависит от структуры и св-в ОВ. Профиль показателя преломления - соотношение между показателем преломления сердцевины и оболочки. Различают: ступенчатый и градиентный. Показатель преломления оболочки меньше, чем показатель преломления сердцевины.

Классифицируют ОВ по двум признакам:

· по материалу изготовления (пластиковые, пластиково-стеклянные, стеклянные)

· по модовой структуре (одномодовые (стандартные SMF, с нулевой смещенной дисперсией DSF, с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF), многомодовые (ступенчатые и градиентные)).

Геометрические параметры ОВ:

1. относительная разность показателя преломления

2. числовая апертура. Распространение света по ОВ можно объяснить на основе принципа полного внутреннего отражения Снелиуса . При прохождении из среды с менее плотным показателем преломления, луч откланяется от 1 и существует такой критический угол падения, когда угол преломления равен 90°, т.е. луч проходит по границе раздела 2-х сред. Все лучи, падающие под углом больше критического будут полностью отражаться, это явление называется полным внутренним отражением (эффект ПВО)

Критический угол зависит от угла ввода излучения в волокно и от показателей преломления сердцевины и оболочки. Параметр, который связан с углом ввода, называется числовой апертурой и характеризует светособирающую способность волокна.

NA-апертура NA=sinθa

Апертуру можно выразить и через показатели преломления:

для ступенчатого

- для градиентного

Числовая апертура у одномодовых волокон от 0,39 до 0,13

3. нормированная частота:

Условие одномодового режима V<0,405

Нелинейные эффекты. Стремление к увеличению длины регенерационного участка приводит к увеличению мощности оптического сигнала (мощности передатчика). С другой стороны увеличение - вызывает нелинейные явления в оптических волокнах, что отрицательно сказывается на качестве связи.

1. фазовая самомодуляция (ФСМ). Это явление возникает вследствие изменения показателя преломления сердечника в зависимости от мощности. Эта зависимость при больших значениях мощности принимает нелинейный вид, что проявляется в непрерывном изменении зависимости при движении оптического импульса вдоль оптического волокна. Самомодуляция проявляется при длительности импульса менее 100 пс и мощности сигнала 8-10 мВ. Например, при длительности импульса 10-20 пс импульс уширяется в 2-3 раза.

2. фазовая кроссмодуляция- проявляется при распространении 2-х оптических несущих, когда оптическая мощность одной из волн вызывает самомодуляцию не только собственного сигнала, но и соседнего приводя к появлению новых частотных компонентов. Пример-4волновое смешивание.

3. Вынужденное комбинационное рассеивание возникает при некоторых значениях оптической мощности вследствие взаимодействия проходящих через среду фотонов с молекулами и атомами этой среды, что приводит к появлению частот , , называемых стоксовыми компонентами. При превышении некоторого порогового значения мощности появляется высокочастотный компонент если входное значение мощности P будет равно значению, определенному по формуле, то вся энергия исходящего значения переходит к 1ой стоксовой компоненте, затем ко 2ой и т.д.

4. вынужденное рассеяние Мандельштама Брюллюэма. Изменение энергии состояния молекул и атомов при высокой мощности оптического сигнала состоит в том, что возникает колебательное движение, что приводит к флуктуациям плотности вещества, т.е. возникновению фанонов (квантовая энергия звуковой волны). На этих фанонах происходит нелинейное рассеивание света. ВРМБ в отличие от других эффектов направлено в сторону источника излучения.

Дисперсия - уширение оптического импульса по мере его распространения по волокну:

Дисперсия определяется:

1) Различием скоростей распространения направляющих мод (модовая)

2) Направляющими свойствами световодной структуры (волноводная)

3) Свойствами материалов ОВ (материальная)

4) геометрическими параметрами сердцевины ОВ (поляризационная модовая дисперсия).

Модовая дисперсия. Т.к. свет испытывает отражение под разными углами в разных модах, длина пути тоже разная. Самый короткий путь проходят лучи, которые движутся вдоль центральной оси волокна. Т.о. свет, падающий в одно и то же время на волокно, достигает конца в различное время, т.е. световой импульс расплывается во времени. Это явление наз. модовой дисперсией.

Для многомодового волокна со ступенчатым профилем показателя преломления:

t_{mod =}(n₁*∆)/c*L;

Для градиентного:

t_{mod =}(n₁*∆)/c* ;

где n₁ –показатель преломлении сердцевины_;

∆ - относительная разность показателей преломления;

L - длина ОВ;

Lc-длина межмодовой связи;

с - скорость света.

Хроматическая дисперсия(состоит из материальной и волноводной). Она возникает из-за того, что излучение, вводимое в ОВ, сосредоточенно в некотором диапазоне, определяемом шириной спектра излучения источника. Разные спектральные компоненты сигнала движутся в ОВ с разной скоростью.

Материальная - обусловлена n=f(λ), но при этом рассматривается распространение волны только в однородной среде (в середине где n=const). Зависимость n(λ) приводит к тому, что составляющие спектра с большей частотой распространяются медленнее, чем низкочастотные:

τ_мат=Δλ*L*М(λ), М(λ) – удельная материальная дисперсия.

М(λ) м/б “+” или “-” и зависти от спектра излучения, рабочей длины волны.

Волноводная дисперсия - в ООВ волна распространяется в сердцевине и оболочке и для нее n принимает некоторое среднее значение между n1 и n2, оно определяется:

1) Зависимостью n₁(λ) и n₂(λ)

2) С изменением λ изменяется глубина проникновения излучения в оболочку, а значит меняется и ср. n

t_{вол =}∆λ*L*B(λ), B(λ) – удельная волноводная дисперсия.

Получим t_{хр =}∆λ*L*(М(λ)+B(λ))= ∆λ*L*D(λ), где∆λ- спектральная ширина источника излучения; D(λ)-удельная хроматическая дисперсия.

B(λ) только “+”, то при определенной длине волны происходит компенсация τ_мат и t_вол и D(λ)=0 à t_хр=0. λ₀ – длина волны нулевой дисперсии.

Поляризационная. При скорости передачи оптического сигнала выше 10Гбит/с необходимо учитывать поляризационную модовую дисперсию PMD. PMD возникает в следствии неоднородности по геометрии ОВ. Входное излучение разлагается на две составляющие: перпендикулярную и параллельную. Они распространяются с различными скоростями.

t_{pmd =}Т√L,

где Т-коэффициент удельной PMD.