X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Дисперсия(модовая, молекулярная, волноводная)

Дисперсия – расплывание светового импульса по мере его движения по оптическому волокну. Дисперсия 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

1.1 Модовая 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. Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя способами:

1. Использование ядра с меньшим диаметром, поддерживающим меньшее количество мод. Ядро диаметром 100 микрон поддерживает меньшее число мод, чем ядро в 200 микрон.

2. Использование волокна со сглаженным индексом, чтобы световые лучи, прошедшие по более длинным траекториям, двигались со скоростью, превышающей среднюю, и достигали противоположного конца волокна в тот же момент, что и лучи, движущиеся по коротким траекториям.

3. Использование одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

1.2 Молекулярная дисперсия

Лучи с различными длинами волн также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Показатель преломления равен n=c/v, где c – скорость света в вакууме и v – скорость, соответствующая длине волны в веществе.

Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости v 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 зависит от двух факторов:

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 (СИД) характеризуется большей спектральной шириной, чем лазер – около 35нм для светодиода и от 2 до 3нм для лазера.

Центральная рабочая длина волны источника. В области 850нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн. Волны длиной 860нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850нм. В области 1550нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560нм движется медленнее, чем волна 1540нм. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией.

Молекулярная дисперсия является основным видом дисперсии в одномодовых системах. Напротив, в многомодовых системах наиболее существенной является модовая дисперсия, так что молекулярной дисперсией можно пренебречь. Во многих случаях модовая дисперсия не играет никакой роли при конструировании волоконных систем. Скорости слишком малы или расстояния слишком незначительны.

Диапазон длин волн от 820 до 850нм часто используется для передачи во многих волоконно-оптических системах. В этом диапазоне длин волн молекулярная дисперсия равна примерно 0.1нсек/нм ширины спектра.

1.3 Волноводная дисперсия

Волноводная дисперсия (наиболее важный вид дисперсии в одномодовых волокнах) обусловлена тем, что оптическая энергия движется как по ядру, так и по оптической оболочке. А так как они имеют различные показатели преломления, то излучение движется со слегка различающимися 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.

2. Затухание (рассеяние, поглощение)

Затуханием называется потеря оптической энергии по мере движения света по волокну. Измеряемое в децибелах на километр, оно изменяется от 300дБ/км для пластикового волокна до примерно 0.21дБ/км для одномодового волокна.

Затухание зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. На заре своего развития оптические волокна работали в окне прозрачности от 820 до 850нм. Второе окно относится к области нулевой дисперсии вблизи 1300нм, третье окно – в области 1550нм. Типичное волокно со структурой показателя преломления 50/125 имеет затухание 4дБ/км при 850нм и 2.5дБ/км при 1300нм, что соответствует увеличению эффективности передачи в 30%.

Области высокого затухания находятся вблизи 730, 950, 1250 и 1380нм. Лучше избегать работы в этих диапазонах. Регулирование потерь в волокне может быть достигнуто выбором соответствующей длины волны для передачи.

Снижение потерь в волокне требует, чтобы источник света работал в области длин волн с наименьшим затуханием.

Пластиковое волокно лучше всего работает в видимом диапазоне около 650нм.

Важнейшей особенностью затухания в оптическом волокне является его независимость от частоты модуляций внутри полосы пропускания. В медных кабелях затухание увеличивается с частотой сигнала: чем больше частота, тем больше затухание. В результате частота сигнала ограничивает расстояние, на которое может быть послан сигнал. Для увеличения этого расстояния требуется повторитель, осуществляющий регенерацию сигнала. В оптическом волокне оба эти сигнала будут иметь одинаковое затухание.

Затухание в волокне определяется двумя эффектами:

Рассеяние

Поглощение

2.1 Рассеяние

Потери, связанные с рассеянием оптической энергии, обусловлены неоднородностью волокна и его геометрической структурой. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях, и свет перестает быть направленным.

Релеевское рассеяние обусловлено вариациями состава и плотности волокна, неизбежными в процессе его производства.

Поскольку интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, то она быстро уменьшается по мере роста длины волны. Рассеяние определяет минимальный теоретический предел затухания, равный:

2.5дБ при 820нм

0.24дБ при 1300нм

0.012дБ при 1550нм

2.2 Поглощение

Поглощением называется процесс, при котором неоднородности волокна поглощают оптическую энергию и преобразуют ее в тепло. При этом свет становится более тусклым. Области существенного затухания сигнала волокна связаны с молекулами воды и большим поглощением света гидроксильными молекулами.

К другим неоднородностям, обуславливающим поглощение, относятся ионы железа, меди, кобальта, ванадия и хрома. Для обеспечения низких потерь производители волокна должны поддерживать концентрацию этих ионов на уровне одной миллиардной. Современная технология производства волокна позволяет добиваться этого в контролируемых условиях особо чистого окружения. Поэтому проблема поглощения света в волокне не столь важна, как несколько лет назад.

2.3 Микроизгибные потери

Этот вид затухания связан с небольшими вариациями профиля границы ядро/оптическая оболочка. Данные вариации границы могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, не допускающими дальнейших отражений. При этом свет покидает волокно.

Микронеоднородности границы могут возникнуть при производстве волокна. Развитие технологий производства направлено на уменьшение этих микронеоднородностей.

2.4 Численная апертура

Численной апертурой (Numeric aperture, NA) называется способность волокна собирать лучи. Только лучи, которые инжектируются в волокно под углами, большими критического, смогут распространяться вдоль него. NA зависит от свойств материалов волокна и определяется показателями преломления ядра и оптической оболочки:

Таким образом, численная апертура является безразмерной величиной.

Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом, угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно. Входной конус связан с NA:

, где θ (тета) – половина угла ввода.

Численная апертура (NA) волокна является важной характеристикой, так как она указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Волокно с большим значением NA хорошо принимает свет, в то время как волокно с малым значением NA можно ввести только узконаправленный пучок света.

Как правило, волокна с широкой полосой пропускания имеют малые значения NA. Таким образом, они допускают существование малого числа мод, означающее малую дисперсию и более широкую рабочую полосу. Значения NA изменяются от 0.5 в пластиковом волокне до 0.2 в волокне со сглаженным профилем показателя преломления. Большое значение NA подразумевает большую модовую дисперсию и, как следствие, большее количество возможных световых траекторий.

Свет в одномодовом волокне не испытывает отражения или преломления, он не распространяется под углом к границе волокна. Аналогично в случае одномодового волокна свет не заводится под углами внутри входного конуса до полного внутреннего отражения. Таким образом, в одномодовом волокне NA может быть определена чисто формально, особенного значения для практики она не имеет.

Источники и приемник также имеют свои апертуры. NA источника определяет угловую апертуру выходного света. NA детектора определяет рабочий диапазон углов для приемника. Для источника особенно важно иметь NA, согласованную с NA волокна, чтоб весь свет, излучаемый источником, проникал в волокно и распространялся по нему. Рассогласование NA приводит к дополнительным потерям при передаче света от устройства с меньшим значением NA к устройству с большим значением.

2.5 Прочность

Стекло принято считать хрупким. Оконное стекло действительно не гнется. Однако стеклянные волокна можно согнуть в виде окружности небольшого диаметра или завязать в свободный узел.

Предел прочности характеризует способность волокна или провода противостоять натяжению или изгибу без повреждения. Предел прочности волокна на разрыв превосходит ту же величину для стальной нити идентичного размера. Более того, медный проводник должен иметь вдвое больший диаметр, чтобы обеспечить тот же предел прочности, что и волокно.

Основная причина, обуславливающая хрупкость волокна, - наличие микротрещин на поверхности и дефектов внутри волокна. При этом поверхностные трещины более существенны. Поверхностные дефекты могут возрастать под воздействием растягивающей нагрузки, возникающей во время прокладки кабеля. Температурные изменения, механические и химические воздействия, обычное старение также приводит к появлению дефектов.

2.6 Влияние ионизирующего излучения

Радиационная прочность определяет способность оборудования противостоять ядерным эффектам. Волокна в отличии от проводников не накапливают статические заряды под воздействием радиации.

Волокна противостоят росту затухания в условиях постоянного радиоактивного облучения высокой интенсивности. Радиационное облучение усиливает поглощение на неоднородностях волокна. Рост затухания зависит от величины накопленной дозы и интенсивности облучения.

3.Заключение

Подытожим вышесказанное следующими выводами:

Диаметр ядра позволяет грубо оценить качество волокна: чем меньше диаметр, тем шире полоса пропускания и меньше потери.

Волокна разного качества находят применение в различных областях техники.

Дисперсия – один из факторов, ограничивающих качество волокна. Дисперсия лежит в основе явления расплывания импульса света по мере его распространения вдоль волокна. Дисперсия ограничивает ширину полосы пропускания. Для уменьшения дисперсии используют волокна со сглаженным индексом или одномодовые волокна.

Существует три вида дисперсии: модовая, молекулярная и волноводная.

Дисперсия в многомодовом волокне делится на модовую и молекулярную.

Дисперсия в одномодовом волокне делится на волноводную и молекулярную. Более существенна молекулярная дисперсия.

Затухание проявляется в потере мощности сигнала, изменяется в зависимости от частоты света и не зависит от скорости распространения сигнала по волокну.

Численная апертура определяет собирательную способность волокна. Она определяет величину углов, под которыми свет может вводиться и распространяться в волокне.

Волокна имеют более высокий предел прочности на разрыв по сравнению с медными проводниками.

Список литературы:

Стерлинг, Д.Дж. Техническое руководство по волоконной оптике. Издательство "Лори", Москва. 1998.

Murata, Hiroshi Handbook of Optical Fibres and Cables. Marcel Dekker Inc. 1996.

Senior, John M.Optical Fiber Communications: Principles and Practice (Second Edition) Prentice Hall International: Series in Optoelectronics 1992

Wilson, J. and Hankes, J.F.B. Lasers: Principles and Application Prentice Hall International: Series in Optoelectronics 1992

Wilson, J. and Hankes, J.F.B. Optoelectronics: An Introduction (Second Edition) Prentice Hall International: Series in Optoelectronics 1992

Код для цитирования: Скопировать