восьмая ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Оптические волокна для оптических кабелей

Основным конструктивным элементом оптических кабелей (ОК) являются оптические волокна (ОВ). Описание многих методов измерений, применяемая при этом аппаратура и тенденции развития волоконной оптики приведены в [40, 41]. Ниже даны общие представления о строении ОВ, используемых в ОК, основные требования к техническим характеристикам ОВ и методам их измерений.

Оптическое волокно, изготовленное из стекла, состоит из сердцевины (рис. 8.1), окруженной коаксиальной с ней оболочкой. Поверх оболочки наносят полимерное защитное покрытие, по иногда применяют различные металлы и керамику. Показатель преломления (ПП) в центре сердцевины п| превышает показатель преломления стекла оболочки н2, что обеспечивает полное внутреннее отражение света на границе сердцевина—оболочка. Разность Д/7 = - п2 равна примерно 0,005—0,20. Нормированная разность ПП определяется

и составляет 0,01—0,02.

Диаметр сердцевины современных ОВ стандартизован и равен 5—100 мкм, диаметр оболочки — 125—250 мкм. Базовая структура ОВ по мере развития волоконно-оптической связи изменялась. Эти

Структура оптического волокна изменения сводились к оптимизации профиля показателя преломления, введению в структуру кольцевых слоев с повышенной или пониженной концентрацией добавок

Рис. 8.1. Структура оптического волокна изменения сводились к оптимизации профиля показателя преломления, введению в структуру кольцевых слоев с повышенной или пониженной концентрацией добавок.

Различают ОВ (рис. 8.2) со ступенчатым профилем ПП, у которых ПП постоянен по всему сечению сердечника, и градиентные ОВ с плавным изменением ПП сердцевины по радиусу г в пределах (0 < < г < а) :

Для ОВ с градиентным ПП под а следует понимать радиус, при котором показатель преломления равен (п] + п2)/2. Практически п ~ » 1,5, а оптимальное значение g » 2.

Оптические волокна делят на одномодовые и многомодовые. Число распространяющихся мод зависит от параметров ОВ (диаметра сердцевины 2а и разности показателей преломления сердцевины и оболочки) и длины волны распространяющегося света X.

Если волновой (волновая частота) параметр Пути световых лучей в оптическом волокне с различным профилем показателя преломления

Рис. 8.2. Пути световых лучей в оптическом волокне с различным профилем показателя преломления

а, в — ступенчатый; б — градиентный то в ОВ распространяется только одна мода соответствующая волне типа НЕц. Типичные параметры одномодового ОВ следующие: 2а = = 5 мкм, Ап = 0,005.

Если V > 2,405, то по ОВ распространяются волны высших порядков, называемые модами и ОВ является многомодовым. Число распро-

2

страняющихся мод равно N =1/2 К“. Типичные параметры многомодового ОВ следующие: 2а = 50 мкм, Ап = 0,01 и для X = 1 мкм №= 650.

Для наглядности распространение мод по ОВ иллюстрируют методами геометрической оптики. На рис. 8.2, а, б показано распространение мод в ОВ со ступенчатым и градиентным ПП. По ОВ распространяются лучи, претерпевающие полное внутреннее отражение на границе между сердцевиной и оболочкой. Если угол V между продольной осью ОВ и направлением луча будет больше предельного угла Упр полного внутреннего отражения, то такие лучи покидают ОВ через оболочку. Параметр, определяемый телесным углом, в котором лучи могут проникать через торец ОВ, называют локальной числовой апертурой:

где мпр = агссо5[«среды//7(/-)]; «среды — показатель преломления среды, из которой лучи проникают через торец ОВ.

В ОВ с градиентным Г1Г1 ЫА(г) является функцией радиуса в сердечнике. Максимальное значение ЫА(г) в центре сердцевины называется числовой апертурой ОВ:

При полном внутреннем отражении лучи проникают на небольшую глубину и в оболочку.

Передача информации модулированным сигналом определяется групповой скоростью электромагнитных волн. Фазовая и групповая скорости распространения электромагнитных волн в волноводах зависят от типа распространяющейся волны. Поэтому различные моды передаваемого излучения распространяются по ОВ с различной скоростью. В представлениях геометрической оптики длина луча, имеющего больший угол V, будет больше и модулированный сигнал, передаваемый с помощью этого луча, будет иметь большее время задержки па дальнем конце ОВ. При смешивании всех мод в приемном устройстве форма передаваемого сигнала во времени претерпит изменение (сигнал будет искажаться). Например, если передается короткий импульс излучения, то на дальнем конце ОВ ширина импульса увеличивается. Эти искажения пропорциональны длине ОВ.

Модуляция информирующими сигналами обусловливает определенную ширину спектра передаваемого излучения. Различная групповая скорость при разных частотах приводит к искажению сигналов. Поэтому для ОВ важна ширина полосы пропускания многомодовых сигналов.

Групповая скорость волн различается также вследствие зависимости показателя преломления самого материала сердечника от длины волны излучения (хроматическая дисперсия). Кроме того, при использовании некогерентных источников излучения последние имеют собственную ширину частот излучения, что также приводит к общему уменьшению ширины полосы пропускания ОВ.

Скорость распространения лучей уменьшается с увеличением показателя преломления. В ОВ с градиентным ПП при удалении от продольной оси сердечника показатель преломления снижается. Это уменьшает модовую дисперсию и увеличивает ширину пропускания частот по сравнению со световодом со ступенчатым профилем показателя преломления. Наибольшей шириной пропускания частот обладают одномодовые ОВ.

При передаче электромагнитных волн по ОВ происходит снижение мощности сигнала, которое называют затуханием и вычисляют аналогично тому, как это делается в кабелях связи с медными жилами (см. гл. 7). Затухание в ОВ определяется поглощением энергии в материале ОВ и рассеянием на неоднородностях. Вследствие ряда причин в материале ОВ наблюдаются флюктуации оптической плотности с небольшими размерами, по сравнению с длиной волны. Это вызывает рассеяние света и появление обратных рассеянных волн в ОВ, что используется при некоторых методах измерений [40]. Часть рассеянного света через оболочку покидает ОВ, что используется при измерениях. Дополнительное затухание возникает также на стыках между строительными длинами ОВ при соединении с аппаратурой системы передачи.

На рис. 8.3 изображен спектр оптического затухания в современных ОВ. С коротковолновой стороны затухание света определяется Релеевским рассеянием, фундаментальным механизмом, присущим неупорядоченным структурам, таким, как стекло. С длинноволновой стороны затухание света обусловлено колебательным движением молекул стекла. В современных волокнах отсутствует пик затухания па волне 1,4 мкм, который в ОВ предыдущих поколений был вызван поглощением света гидроксильной группой ОН, содержащейся в молекулах стекла. Так называемые окна прозрачности в ОВ последовательно использовали для осуществления оптической связи. Первые системы связи работали на волнах 0,8—0,9 мкм, затем рабочая длина волны сместилась сначала в область вблизи 1,3 мкм, где дисперсия одномодовых ОВ близка к 0, затем в область вблизи 1,5 мкм,

Спектр оптических потерь в оптическом волокне на основе кварцевого стекла с малым содержанием гидроксильных групп

Рис. 8.3. Спектр оптических потерь в оптическом волокне на основе кварцевого стекла с малым содержанием гидроксильных групп

где расположен абсолютный минимум оптических потерь, равный -0,2 дБ/км, и длина волны составляет 1,49 мкм.

По мере обмена энергией между модами вдоль ОВ наступает равновесный модовый режим (РММ), для которого вводят понятие коэффициента затухания, дБ/км:

где Ь — длина ОВ, на которой измеряется затухание А(к) = 10 gfIPy-, Р, Р2 — мощности па ближнем и дальнем концах линии.

Если источник света не соответствует РММ, то на начальном участке ОВ коэффициент затухания изменяется. В наиболее регулярных ОВ длина начального участка до установления РММ достигает 1—10 км. При наличии изгибов в оптическом волокне РММ наступает раньше. В большинстве случаев изгибы, начиная с радиуса Ят!п, приводят к существенному увеличению затухания:

При больших радиусах изгиба /? затухание, определяемое изгибами, уменьшается пропорционально ехр(-/?тт). При измерениях затухания следует располагать ОВ так, чтобы радиус его изгиба был много больше /?т!п. Обычно достаточно, чтобы К > 10 см.

В системе передачи по ОК целый ряд характеристик ОВ, играет важную роль. Такие характеристики как число распространяющихся мод, оптические потери, обусловленные затуханием, дисперсия — необходимо контролировать при производстве ОВ и ОК.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >