книги / Методы измерений в волоконной оптике

ный кабель диаметром 7,5 см на металлической основе может быть заменён одним волокном с диаметром 1 мм;

5) высокая защищённость от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приёма-передачи. Эффективны системы мониторинга (непрерывного контроля) объектов

сиспользованием волоконно-оптических датчиков.

1.2.Основные характеристики в волоконной оптике

1.2.1. Устройство оптического волокна

Оптическое волокно (световод) имеет два концентрических слоя – сердцевина и оптическая оболочка (рис. 1.6). Внутренняя сердцевина предназначена для переноса света. Окружающая его оболочка имеет отличный от сердцевины показатель преломления и обеспечивает полное внутреннее отражение света в сердцевину.

Рис. 1.6. Структура световода

Показатель преломления оптической оболочки немного меньше, чем показатель преломления сердцевины (n2 < n1). Производители волокна строго контролируют разность показателей для получения нужных характеристик волокна. Волокна имеют дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет ядро и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов.

На рис. 1.7 представлена схема распространения света по волокну. Свет заводится внутрь волокна под углом больше критического к границе «ядро – оптическая оболочка» и испытывает полное внутреннее

21

отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться от границы. Таким образом, луч света будет двигаться зигзагообразно вдоль волокна.

Рис. 1.7. Ход лучей в оптическом волокне

Свет, попадающий на границу под углом меньше критического, будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка обычно не предназначена для переноса света, и свет в ней достаточно быстро поглощается. Отметим, что в ситуации, представленной на рис. 1.7, свет будет также преломляться на границе воздух–волокно. И только после этого его распространение будет происходить в соответствии с законом преломления Снелла и значениями показателей преломления ядра и оптической оболочки. Внутреннее отражение служит основой для распространения света вдоль обычного оптического волокна. В этом анализе, однако, учитываются только меридианные лучи, проходящие через центральную ось волокна после каждого отражения. Другие лучи, называемые асимметричными, движутся вдоль волокна, не проходя через его центральную ось. Траектория асимметричных лучей представляет собой спираль, накручивающуюся вокруг центральной оси. Асимметричные лучи, как правило, игнорируются в анализе большинства волоконно-оптических процессов. Специфические особенности движения света вдоль волокна зависят от многих факторов, включая размер волокна, состав волокна, процесс инжекции света внутрь волокна.

Понимание взаимного влияния этих факторов проясняет многие аспекты волоконной оптики. Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр. Диаметр ядра для наиболее распространенных видов волокон колеблется от 8 до 100 мкм, а диаметр оптической оболочки –

22

от 125 до 140 мкм. Для наглядного представления малости этих размеров укажем, что человеческий волос имеет диаметр около 100 микрон. При указании размеров волокна вначале приводится значение диаметра ядра, а затем оптической оболочки: например, 50/125 означает диаметр ядра – 50 мкм и диаметр оптической оболочки – 125 мкм.

1.2.2. Классификация волокон

Оптические волокна могут быть классифицированы двумя способами: во-первых, по материалу, из которого сделано волокно, вовторых, по показателю преломления в ядре и модовой структуре света.

Стеклянные волокна имеют как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку. Стекло, используемое в данном типе волокон, состоит из сверхчистого сверхпрозрачного диоксида кремния или плавленого кварца. Если морская вода была бы столь прозрачной, как волокно, то можно было бы увидеть дно самой глубокой океанской впадины – Марианской (11 022 м), расположенной в Тихом океане. В стекло добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления. Германий и фосфор, например, увеличивают показатель преломления, а бор и фтор, напротив, уменьшают его. Кроме того, в стекле присутствуют другие примеси, не извлеченные в процессе очистки. Они также влияют на свойства волокна, увеличивая затухание, обусловленное рассеянием и поглощением света.

Характеристики стеклянных волокон с пластиковой оптической оболочкой, хотя и не столь хорошие, как у полностью стеклянного волокна, являются вполне приемлемыми.

Пластиковые волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку. По сравнению с другими видами пластиковые волокна имеют ограниченные возможности с точки зрения затухания и полосы пропускания. Однако низкая себестоимость и простота использования делают их привлекательными там, где требования к величинам затухания и полосе пропускания не столь высоки. Электромагнитная невосприимчивость и секретность передачи информации по пластиковым волокнам делают их применение оправданным. Пластиковые волокна являются достаточно прочными, с малым радиусом изгиба и способностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Этот тип волокон находит применение в автомобилестроении, производстве различной бытовой техники.

В соответствии со второй классификацией на рис. 1.8 показаны три основные особенности волокон.

23

скачок на границе между ядром и оптической оболочкой. Напротив, в случае сглаженного профиля показатель преломления ядра не является однородным: он максимален в центре, а между ядром и оптической оболочкой отсутствует резкий скачок показателя преломления.

В соответствии с данной классификацией существует три вида оптических волокон:

1)многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления (обычно называемое волокном со ступенчатым профилем);

2)многомодовое волокно со сглаженным профилем (градиентное волокно);

3)одномодовое волокно со ступенчатым профилем (одномодовое волокно).

Характеристики каждого из типов волокон в существенной степени определяются областью применения.

Многомодовое волокно со ступенчатым профилем – наиболее про-

стой тип волокон, обычно имеет сердцевину диаметром от 50 до 970 мкм

иможет быть чисто стеклянным или пластиковым. Данный тип волокна является наиболее распространенным, хотя и не обеспечивает максимальную полосу пропускания и минимальные потери. Поскольку свет

испытывает отражение под разными углами на разных траекториях (в различных модах), длина пути, соответствующая различным модам, тоже отличается. Таким образом, различные лучи затрачивают меньше или больше времени на прохождение одной и той же длины волокна. Лучи, которые движутся вдоль центральной оси ядра без отражений, достигают противоположного конца волокна первыми. Косые лучи появляются позднее. Свет, попадающий в волокно в одно и то же время, достигает противоположного конца в различные моменты времени. Сетевой импульс расплывается по времени. Это расплывание называется модовой дисперсией. Импульс света, который имел первоначально узкий, строго определенный профиль, в дальнейшем расширяется во времени. Дисперсия может быть обусловлена несколькими причинами. Модовая дисперсия возникает в результате различных длин траекторий, соответствующих различным модам волокна. Типичное значение модовой дисперсии для волокна со ступенчатым профилем показателя преломления составляет от 15 до 30 нс/км. Это означает, что лучи света, попадая в волокно одновременно, достигают противоположного конца волокна длиной в один километр с интервалом от 15 до 30 наносекунд. При этом первыми приходят лучи, движущиеся вдоль центральной оси. Эти интервалы вре-

25

мени могут показаться не столь уж большими, однако именно модовая дисперсия ограничивает возможную полосу пропускания оптического волокна. Расплывание импульса приводит к перекрыванию крыльев соседних импульсов. Вследствие этого импульсы трудно отличить один от другого, а заключенная в них информация теряется. Уменьшение дисперсии приводит к увеличению полосы пропускания.

Многомодовое градиентное волокно использует сглаженный про-

филь показателя преломления. Так как свет движется быстрее по среде с меньшим показателем преломления, то чем дальше расположена траектория светового луча от центра, тем быстрее он движется. Каждый слой ядра отражает свет. В отличие от ситуации со ступенчатым профилем показателя преломления, когда свет отражается от резкой границы между ядром и оптической оболочкой, здесь свет постоянно и более плавно испытывает отражение от каждого слоя ядра. При этом его траектория отклоняется к центру и становится похожей на синусоидальную. Лучи, которые проходят более длинные дистанции, делают это большей частью по участкам с меньшим показателем преломления, двигаясь при этом быстрее. Свет, распространяющийся вдоль центральной оси, проходит наименьшую дистанцию, но с минимальной скоростью. В итоге все лучи достигают противоположного конца волокна одновременно. Использование сглаженного профиля показателя преломления приводит к уменьшению дисперсии до 1 нс/км и менее.

Популярные виды данного типа волокон имеют диаметры ядер 50, 62,5 и 85 микрон, а диаметр оптической оболочки 125 микрон. Эти волокна используются там, где требуются широкие полосы пропускания,

вчастности в передаче телевизионного сигнала, локальных сетях, компьютерах и т. д.

Одномодовое волокно позволяет значительно сократить модовую дисперсию за счет уменьшении ядра до тех пор, пока волокно не станет эффективно передавать только одну моду. Одномодовое волокно имеет чрезвычайно малый диаметр – от 5 до 10 мкм, при этом диаметр оптическойоболочки долженбыть на порядок больше, чем диаметр сердцевины.

Характеристики одномодовой системы ограничены возможностями электроники, а не волокна. Еще одно преимущество одномодового волокна заключается в том, что оно может быть проложено один раз с тем, чтобы

вдальнейшем возможности передающей линии возрастали по мере развития и замены электронных устройств. Это позволяет экономить средства на прокладке новой наиболее современной передающей линии и добиваться увеличения скоростипередачи наиболее экономным способом.

26

Указанные типы волокон могут значительно различаться по качеству

ифизическим свойствам. Термин «качество» рассматривается в широком смысле: лучшее качество означает более широкую полосу пропускания, большую информационную емкость и низкие потери. Низкая стоимость

ибезопасность делают привлекательными другие типыволокон.

Всоответствии с их качеством волокна могут быть расположены в следующем порядке: одномодовые, градиентные, со ступенчатым профилем, пластиковые.

1.2.3. Характеристики волокон

Дисперсия (разброс, отклонение) – расплывание светового импульса по мере его движения по оптическому волокну. Дисперсия приводит к искажению формы и длительности светового импульса и ограничивает ширину полосы пропускания и информационную емкость кабеля. Скорость передачи битов должна быть при этом достаточно низкой, чтобы избежать перекрытия различных импульсов. Чем ниже скорость передачи сигналов, тем реже располагаются импульсы в цепочке и тем большая дисперсия допустима. Существует три вида дисперсии:

–модовая дисперсия;

–молекулярная дисперсия;

–волноводная дисперсия.

Модовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам. Она возникает из-за того, что лучи проходят различные пути и, следовательно, достигают противоположного конца волокна в различные моменты времени. Появление модовой дисперсии обусловлено изменением скорости распространения волны из-за зависимости показателя преломления среды от длины волны. В волокне волна распространяется в двух средах – частично в сердцевине, а частично – в кварцевой оболочке, и для нее показатель преломления принимает некое среднее значение между значением показателя преломления сердцевины икварцевой оболочки (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Модовая дисперсия возникает из-за того, что усредненный по диаметру моды показатель преломления изменяется при изменении длины волны

27

Этот средний показатель преломления может изменяться по двум причинам. Во-первых, из-за того, что показатели преломления сердцевины

икварцевой оболочки примерно одинаково зависят от длины волны. Вовторых, потому, что при изменении длины волны меняется глубина проникновения поля в кварцевую оболочку и, соответственно, меняется среднее значение показателя преломления. Это чисто межмодовый эффект,

ипоэтому возникающую из-занегодисперсию называют модовой. Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя способами:

1)использование сердцевины с меньшим диаметром, поддерживающим меньшее количество мод. Сердцевина диаметром 100 мкм поддерживает меньшее число мод, чем ядро в 200 мкм;

2)использование волокна со сглаженным показателем преломления, чтобы световые лучи, прошедшие по более длинным траекториям, двигались со скоростью, превышающей среднюю скорость, и достигали противоположного конца волокна в тот же момент, что и лучи, движущиеся по коротким траекториям;

3)использование одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

Материальная дисперсия возникает из-за того, что спектр оптического сигнала имеет конечную ширину и разные спектральные компоненты сигнала движутся в волокне с разной скоростью (рис. 1.10). В результате световой импульс после прохождения через дисперсионную среду уширяется. Это объясняется различными скоростями лучей света с различными длинами волн даже в одной и той же моде. Показатель преломления n = c/ν, где c – скорость света в вакууме, ν – скорость, соответствующая длине волны в веществе.

Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости ν в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется молекулярной дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Уровень дисперсии определяют два фактора:

1)диапазон длин волн света, инжектируемого в волокно. Как правило, источник не может излучать одну длину волны, он излучает несколько. Диапазон длин волн, выраженный в нанометрах, называется спектральной шириной источника. Светодиод характеризуется большей спектральной шириной, чем лазер (около 35 нм для светодиода и от 2 до 3 нм для лазера);

28

личающимися скоростями в ядре и оптической оболочке. Изменение внутренней структуры волокна позволяет существенно влиять на волноводную дисперсию, тем самым изменяя специфицированную общую дисперсию волокна. Это является одним из перспективных направлений разработки одномодовых систем.

Волноводная дисперсия может возникнуть в одномодовом волокне при поляризации света и двулучепреломлении. Она наводится в номинально круглом волокне при его изготовлении из-за неизбежного появления небольшой эллиптичности сердцевины и внутренних напряжений, не обладающих аксиальной симметрией (рис. 1.11). Поскольку наведенные в волокне напряжения не имеют выделенного направления, величина и азимут двулучепреломления изменяется случайным образом вдоль оси волокна.

Рис. 1.11. Причины возникновения поляризации (двулучепреломления) в оптических волокнах

Представим свет, распространяющийся в одномодовом волокне, в виде суммы двух ортогональных поляризационных мод. Возбужденные быстрая и медленная поляризационные моды распространяются вдоль волокна, не обмениваясь при этом мощностью. Это приводит, как видно из рис. 1.12, к появлению разности фазовых запаздываний поляризационных мод ∆τ и, соответственно, к уширению импульсов.

Рис. 1.12. Уширение импульсов в поляризованном волокне

Затуханием (рассеянием, поглощением) называется потеря опти-

ческой энергии по мере движения света по волокну. Затухание по длине волокна оценивается в децибелах (дБ/км). Если на входе линии протя-

30