Типы волн в световоде

ТЕМА: ТИПЫ ВОЛН В СВЕТОВОДЕ

В общем случае в волоконном световоде могут существовать три типа волн: направляемые, вытекающие и излучаемые (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Типы волн в волоконном световоде

Действие и преобладание какого-либо типа волн связано в первую очередь с апертурой, соотношением углов падения волны φ и полного внутреннего отражения θ_в.

Направляемые волны (НВ) (волны сердцевины) —это основной тип волны, распространяющейся по световоду. Здесь вся энергия сосредоточена внутри сердцевины световода и. обеспечивает передачу информации. Направляемые волны возбуждаются при вводе лучей в торец световода под углом,, большим угла полного отражения т. е. в пределах апертурного угла.

Излучаемые волны (ИВ) (пространственные волны) возникают при вводе лучей под углом, меньшим угла полного отражения т. е. вне апертуры. Здесь вся энергия уже в начале линии излучается в окружающее пространство и не распространяется вдоль световода, что связано с дополнительными потерями энергии. Излучаемые волны и рассеяние энергии также возникают в местах нерегулярностей световодов.

При вытекающих волнах (ВВ) (волнах оболочки) энергия частично распространяется вдоль световода, а часть ее переходит в оболочку и излучается в окружающее пространство. Вытекающие волны образуются в первую очередь за счет косых лучей, не проходящих через ось световода. Излучаемые и вытекающие волны — это паразитные волны, приводящие к рассеянию энергии и искажению за счет интерференции передачи по световоду. В первую очередь из-за этих волн возникают переходные влияния и помехи в соседних световодах.

На рис. 2.13 показаны области существования различных типов волн в зависимости от значения величины β — коэффициента фазы: для направляемых волн, распространяющихся внутри сердцевины,  для вытекающих волн, распространяющихся как внутри сердцевины так и внутри оболочки, для излучаемых волн, распространяющихся в окружающем пространстве, гдеm—азимутальное модовое число;а—радиус световода; и —волновые числа сердцевины и оболочки.

Для меридиональных волн, имеющих симметричное поле, азимутальное модовое число m= 0. и тогда дляHВ и для ИВ

Рис. 2.13. Области существования различных типов волн

2.10. Затухание

Оптические кабели характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание α определяет длину регенерационных участков (расстояние между регенераторами) и для трактов оптических кабелей обусловлено собственными потерями в волоконных световодах α_си дополнительными потерями, так называемыми кабельными α_к, обусловленными скруткой, а также деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля.

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения α_пи потерь рассеяния α_р. Механизм потерь, возникающий при распространении по волоконному световоду электромагнитной энергии, иллюстрируется на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Механизм потерь в световодах.

Часть мощности, поступающей на вход световода, рассеивается вследствие изменения направления распространения лучей на нерегулярностях и их высвечивания а окружающее пространство (α_р), другая часть мощности поглощается посторонними примесями, выделяясь в виде джоулева тепла .

Такими примесями являются ионы металлов (никель, железо, кобальт и др.) и гидроксильные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания.

Потери на поглощение зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей (α_пр) могут достигать значительной величины .

Потери на рассеяние лимитируют предел минимально допустимых значений потерь в волоконных световодах. В результате 

Затухание за счет поглощения, дБ/км, связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала световода  и рассчитывается по формуле

где п — показатель преломления; — тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

Потери рассеяния обусловлены неоднородностями материала волоконного световода, расстояния между которыми меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Величина потерь на рассеяние, дБ/км, называемоерэлеевским, определяется по формуле

где К_р—коэффициент рассеяния, для кварца равный 0,8 (мкм⁴*дБ)/км.

Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Этот предел различен для различных волн и с увеличением длины волны уменьшается.

На рис. 2.15 представлены частотные зависимости коэффициента затухания волоконного световода. Из рисунка видно, что потери на поглощение растут линейно с увеличением частоты, а потери на рассеяние существенно быстрее — по закону f⁴.

Рис. 2.15. Частотная зависимость затухания поглощения α_пи зату­хания рассеяния α_Р

В табл. 2.11 приведены значения коэффициента затухания различных кварцевых стекол, а также длины регенерационных участков исходя из энергетического потенциала аппаратуры Э = 30 дБ. Тогда l_р= 30/α. Из таблицы видно, что обычное оконное стекло за счет примесей имеет очень большое затухание и требует установки регенераторов через каждые 10 м. Начиная с 1970 г. качество стекла постоянно улучшается, и длина регенерационного участка доведена до 100 км. Сегодня известны стекла даже с затуханием 0.1 ...0,2 дБ/км.

Таблица 2.11

При λ>2 мкм начинают проявляться потерн на поглощение передаваемой мощности. Это явление проявляется с ростом длин волн и углублением в инфракрасную область оптического спектра. Величина этих потерь α_икпропорциональна показательной функции и уменьшается с ростом частоты по закону (дБ/км) гдеС иk — постоянные коэффициенты (для кварцаk=(0,7—0,9)*10^-6С=0,9).

На рис. 2.16 приведены типовые зависимости всех составляющих потерь от длины волны(α_п—поглощение; α_р— рассеяние; α_пр — примеси; α_ян— поглощение в инфракрасной области).

Рис. 2.16. Составляющие по­терь энергии в волоконном световоде

Как отмечалось, кроме собственных потерь α_сследует учитывать дополнительные кабельные потери α_к, обусловленные деформацией оптических волокон в процессе изготовления кабеля (скруткой, изгибами, отклонениями от прямолинейности, а также термомеханическими воздействиями на волокна при наложении оболочек и покрытий и другими факторами, обусловленными технологией производства). Указанные дополнительные потери определяются в основном процессами рассеяния энергии на неоднородностях и частично увеличением потерь на поглощение. Скрутка, изгибы приводят в первую очередь к излучению энергии в местах изгиба и соответственно к возрастанию потерь.

Установлено, что кабельные потери приводят к увеличению затухания. Так, если собственное затухание световода составляет 1 дБ/км, то за счет дополнительных кабельных потерь оно может возрасти до 2... 3 дБ/км и даже больше. При расчете оптических трактов следует также учитывать потери, вносимые сростками.

На рис. 2.17 приведены графики рэлеевского рассеяния 1, инфракрасного поглощения 2 и коэффициента затухания3 реальных световодов с учетом потерь на поглощение и за счет примесей. Рэлеевское рассеяние α_Рограничивает нижний предел потерь в левой части графика, а инфракрасное поглощение α_ик— в правой. На графике явно видны три окна прозрачности световода. Наименьшее затухание (α=0,3 дБ/км) имеется в третьем окне при λ=1,55 мкм. Причем с увеличением длины волны затухание снижается и соответственно увеличивается длина регенерационного участка (табл. 2.12).

Рис. 2.17. Затухание энергии в волоконном световоде при различных длинах волн.

Из таблицы видна явная целесообразность работы оптических кабелей на волнах 1,3 и 1,55 мкм.

Таблица 2.12

Таблица 2.13

Таблица 2.14

Таблица 2.15

В табл. 2.13—2.15 соответственно приведены расчетные данные потерь поглощения, рассеяния и суммарных потерь в зависимости от длины волны. Из таблиц видно, что затухание существенно зависит от качества стекла и его чистоты. Чем меньше диэлектрические потери  тем меньше затухание.

В табл. 2.16 приведены значения коэффициента затухания в инфракрасном диапазоне.

Таблица 2.16

Представляет интерес сопоставить частотные зависимости затухания оптических и электрических кабелей (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Частотная зависи­мость затухания электрических и оптических кабелей.

Как видно из рисунка, коэффициент затухания электрических кабелей с медными проводниками (коаксиальных и симметричных) закономерно растет с частотой по закону В оптических кабелях в весьма широкой полосе частот затухание стабильно. Поэтому можно увеличивать число каналов и мощность системы передачи без установки дополнительных усилительных пунктов.

Ранее рассматривались кварцевые волокна, область эффективного использования которых ограничивается диапазоном видимых и ближних инфракрасных волн длиной примерно до 2 мкм. Для инфракрасного диапазона средних и более длинных волн (до 10,6 мкм) необходимы новые щелочные материалы. Хорошие результаты дают галоидные, халькогенидные и фторидные стекла. Они обладают высокой прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на 2—3 порядка по сравнению с кварцевыми стеклами.

На рис. 2.19 показана зависимость потерь в инфракрасном диапазоне от длины волны для различных материалов. Здесь представлены три диапазона волн: видимый и ближний (λ до 2 мкм); средний(λ от 2 до 5 мкм); дальний (λ до 10,6 мкм). В первом диапазоне волн эффективен кварц, во втором — фториды, в третьем — галоиды и халькогениды. Из рисунка видно, что потери на рэлеевское рассеяние с увеличением длины волны резко снижаются обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Однако наряду с этим увеличиваются потери инфракрасного поглощения, возникающие из-за возбуждения инфракрасным излучением материала волокна.

Рис. 2.19. Зависимости коэффициента затухания световодов, изготовленных из различных материалов, от длины волны: I — кварц;II — фториды;III — халькогениды.

Теоретическая граница потерь — это минимум на кривой потерь, образованной сложением кривых рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения. В ближнем ИК диапазоне волн минимальные потери α=0,2 дБ/км, в диапазоне средних ИК волн потери снижаются на порядок (α = 0,02 дБ/км), а в дальнем диапазоне—на два порядка (α = 0,002 дБ/км).

С появлением волокон из новых материалов становится реальным создание волоконно-оптических линий связи через большие океанские просторы без ретрансляторов. Известны проекты строительства подводной оптической линии через Атлантический океан протяженностью 6000 км без регенераторов с применением волокон из тетрафторида циркония или фторида берилия.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/407069-tipy-voln-v-svetovode