18138

Волоконный световод как канал передачи информации. Затухание в оптических волокнах и кабелях

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лекция 4. Волоконный световод как канал передачи информации. Затухание в оптических волокнах и кабелях Процесс распространения электромагнитной волны в оптическом волокне можно анализировать методами геометрической оптики и методами волновой теории путем решен

Русский

2013-07-06

712.6 KB

12 чел.

Лекция 4.  

Волоконный световод как канал передачи информации.

Затухание в оптических волокнах и кабелях

Процесс распространения электромагнитной волны в оптическом волокне можно анализировать методами геометрической оптики и методами волновой теории путем решения уравнений Максвелла. Первый метод более прост и применяется в инженерной практике для решения конкретных задач, второй метод целесообразен для детального исследования характеристик световодов.

Электромагнитные волны, распространяющиеся в световоде, делят на классы и типы.

В волноводных системах существуют волны следующих классов:

  1.  Т – поперечная электромагнитная;
  2.  Е – электрическая волна;
  3.  Н – магнитная волна;
  4.  НЕ и EH – гибридные, смешанные волны.

На рисунке 4.1 векторы Е и Н представлены в цилиндрической системе координат.

Рис.4.1. Классы электромагнитных волн

Электромагнитная волна характеризуется тройкой векторов (рис. 4.2):

  1.  вектором электрического поля Е;
  2.  вектором магнитного поля Н;
  3.  вектором Пойнтинга П, который показывает направление распространения электромагнитной волны.

Рис.4.2. Тройка векторов

При распространении электромагнитной волны в различных типах направляющих систем эта тройка векторов может менять общую ориентацию, но при этом быть строго перпендикулярно друг к другу.

Электромагнитный поток волны Т содержит только поперечные составляющие поля E и H, вектор П при этом направлен строго вдоль оси направляющей системы. Такие волны существуют в двухпроводных линиях передачи (симметричных, коаксиальных).

Электромагнитный поток волн Е или Н, кроме соответственно поперечных составляющих электрического и магнитного поля, имеет еще и продольные составляющие этих полей, что в геометрической интерпретации говорит о повороте тройки векторов по отношению к оси направляющей системы (вектор П при этом уже направлен под углом к оси направляющей системы).

Наряду с делением на классы электромагнитные волны, распространяемые в направляющих системах, делятся также по типам. Типы волн характеризуют сложность структуры электромагнитного поля волны и различаются числом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении световода. При этом один и тот же класс волн может иметь различное число типов волн, в зависимости от структуры световода и характеристик источника излучения.

Так, электромагнитная волна класса ЕН, распространяясь в различных световодах, может иметь различные типы структуры излучения. Эти типы обозначаются индексами и (рис. 4.3):

– число изменений векторов поля по периметру сердцевины оптического волокна;

– число изменений поля по диаметру сердцевины оптического волокна.

Рис.4.3. Типы структуры электромагнитной волны

Схематически диаграммы векторов электромагнитного поля для различных мод представлены на рис.4.4.

Рис.4.4. Диаграммы векторов электромагнитного поля

Значения   и будут зависеть от параметров световода, его диаметра и длины волны передаваемого сигнала. Такой подход в классификации типов волн вызван тем, что в световоде распространяется не плоская волна, а волна, имеющая фронт сложной конфигурации. Чтобы математически описать процесс распространения такой волны, следует заменить фронт этой волны на фронт в виде многогранника с элементарными плоскими площадками. Каждая такая площадка характеризует элементарную плоскую волну, процесс распространения которой описывается уравнениями Максвелла (рис.4.5).

Рис.4.5. К математическому описанию процесса

распространения электромагнитной волны

Исходя из геометрической интерпретации процесса распространения электромагнитных волн, нормаль каждой элементарной площадки (элементарная плоская волна) будет направлена в определенном направлении вдоль своего вектора Пойнтинга.

В геометрической трактовке эту нормаль можно считать лучом, а саму площадку с нормалью (энергию электромагнитной волны) – модой электромагнитной волны. Диаметр элементарной площадки будет соответствовать длине распространяемой волны. Следовательно, количество направляемых мод определяется числом элементарных плоских площадок, которые можно разместить в сечении сердцевины ОВ (рис.4.6).

Рис.4.6. Сечение сердцевины ОВ

Таким образом, класс электромагнитных волн характеризуется расположением тройки векторов Е, Н и П в электромагнитном потоке, а тип электромагнитных волн характеризуется конфигурацией (расположением) и числом распространяемых мод.

Число мод

Для волокон ступенчатого и градиентного профиля количество передаваемых мод равно:

  1.  для ступенчатого профиля:

     (4.1)

  1.  для градиентного профиля:

     (4.2)

где:

 – нормированная частота;

– радиус сердцевины волокна;

– показатель преломления сердцевины волокна;

– показатель преломления оболочки;

– длина волны оптического сигнала.

Важным обобщенным параметром волоконного световода является нормированная (характеристическая) частота.  С увеличением радиуса сердцевины волокна величина нормированной частоты растет, а с увеличением длины волны – уменьшается.

В табл. 4.1 приведены соотношения нормированной частоты, длины волны и радиуса сердцевины при различных значениях коэффициента преломления оболочки ().

Таблица 4.1

λ, мкм

Значение V при а, мкм

4

5

25

50

n1 =1,51

1,49

1,5

1,49

1,5

1,49

1,5

1,49

1,5

0,85

7,24

5,1

9,05

6,2

45,2

32,1

90,5

63,9

1,00

6,15

4,2

7,69

5,2

38,5

27,1

76,9

54,3

1,30

4,73

3,2

5,92

4,1

29,3

21,4

59,2

41,8

1,55

3,97

2,7

4,96

3,4

25,2

17,6

49,6

35,1

Одномодовый режим реализуется, если нормированная частота . Чем меньше разность показателей преломления сердечника и покрытия , тем при большем радиусе световода обеспечивается одномодовый режим.

Так, если и , то радиус ,

               , то радиус .

Волоконный световод представляет собой круглый стержень с показателями преломления сердечника и покрытия:

        (4.3)

         (4.4)

где:

и – относительные диэлектрические проницаемости материалов световодов.

В общем случае показатель преломления сердечника световода является функцией радиуса. Эта функция называется профилем показателя преломления (ППП).

В зависимости от конструкции световода, профиль показателя преломления может меняться (рис. 4.7.).

Рис. 4.7. Структура типичных волоконных световодов и

картины распространения лучей в них

 

На рисунке 4.7 показаны:

а) одномодовый световод мкм;

б) W-образный профиль показателя преломления

в) многомодовый световод со ступенчатым профилем показателя преломления мкм;

г) градиентный световод.

Зависимость  ППП от радиуса для градиентных световодов:

       (4.5)

где:

– параметр, определяющий градиент показателя преломления;

– показатель преломления в центре световода;

– показатель преломления на краю световода;

 – диаметр сердцевины световода.

В зависимости от угла падения луча на вход многомодового световода существуют 3 варианта распространения  мод:

  1.  при мода распространяется внутри сердечника по зигзагообразным траекториям;
  2.  при возможны два варианта:
  3.  луч распространяется в оболочке;
  4.  луч выходит за пределы световода (моды утечки).

Еще одна поправка, характеризующая распространение излучения в световоде с учетом электромагнитной теории, заключается в том, что в оболочке также распространяется электромагнитная волна, называемая затухающей. Ее амплитуда экспоненциально уменьшается в зависимости от радиуса и распространяется за пределами сердечника на небольшом расстоянии от него. Это явление исследовалось Гусом и Хенкеном, они установили, что луч, падающий на боковую поверхность под углом ПВО, отражается не в месте падения, а на некотором расстоянии от точки падения, то есть частично проходит в покрытие (рис. 4.8).

Рис.4.8. Явление Гауса-Хенкена.

Величина сдвига луча при отражении равна:

        (4.6)

Затухание в оптических волокнах и кабелях

Затухание является важнейшим параметром оптических кабелей. Затухание обусловлено собственными потерями в волоконном световоде и дополнительными кабельными потерями, обусловленными скруткой, а также деформацией и изгибами оптических волокон при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления.

Общие потери в световоде определяются  соотношением:

     (4.7)

Собственные потери волоконного световода состоят из потерь поглощения () и потерь рассеяния ()

    (4.8)

Потери, возникающие при распространении сигнала по волоконному световоду, объясняются тем, что часть мощности, поступающей на вход световода, рассеиваются вследствие изменения направления распространения лучей на нерегулярностях (). Другая часть мощности поглощается как самими молекулами кварца (), так и посторонними примесями (), выделяясь в виде джоулева тепла.

Примесями могут являться ионы металлов (никель, железо, кобальт и др.) и гидроксильные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания.

Окончательно суммарные потери определяются из выражения:

   (4.9)

Затухание за счет поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию зависит от свойств материалов и определяется согласно соотношению:

,           (4.10)

где:

– тангенс угла диэлектрических потерь для световода (справочная величина).

Потери рассеяния обусловлены неоднородностями материала волоконного световода, расстояния между которыми меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления.

Величина потерь на рассеяние, называемое релеевским, определяется следующим соотношением:

,        (4.11)

где:

– коэффициент рассеивания (справочная величина)

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

При распространении электромагнитной волны с мкм начинают интенсивно расти потери на поглощение. Это обусловлено иным механизмом потерь кварцевых световодов в инфракрасной области спектра. Эти потери пропорциональны показательной функции и уменьшаются с ростом частоты по закону:

,           (4.12)

где:

и – постоянные коэффициенты (для кварца k=(0,7 – 0,9).10-6 м, С=0,9).

В световоде (кварцевом) существует три окна прозрачности:

  1.  первое окно прозрачности на длине волны мкм;
  2.  второе окно прозрачности на длине волны  мкм;
  3.  третье окно прозрачности на длине волны мкм.

Наименьшее затухание имеется в третьем окне прозрачности.

Потери излучения в оптических световодах определяются также наличием  мод утечки. В многомодовых световодах – это интенсивная утечка мод высокого порядка на начальном участке световода. Причиной этому является нарушение явления ПВО из-за шероховатости боковой поверхности световода при углах падения близких к критическим.

Для уменьшения влияния этого явления применяют два типа фильтров (рис.4.9):

  1.  спиральный;
  2.  ступенчатый.

Рис.4.9. Типы фильтров

В спиральном фильтре за счет искусственного изгиба световода на начальном участке трассы добиваются нарушения явления ПВО для мод высокого порядка.

В ступенчатом модовом фильтре лучи от источника света сначала входят в первую часть фильтра – отрезок ступенчатого световода с сердечником относительно большого диаметра и большой числовой апертурой. Затем часть этих лучей, преимущественно моды низкого порядка, распространяются по отрезку градиентного волокна длиной 3 м и с сердечником диаметром 40 мкм. На выходе этого отрезка должно обеспечиваться равновесное распределение мод.

В целом потери в световоде определяются соотношением:

       (4.13)

где:

и – мощность излучения на входе и выходе световода.

Уменьшение потерь осуществляют в основном технологическим путем, чаще всего это уменьшение вредных примесей.

Затухание в оптических кабелях

Дополнительное затухание, обусловленное кабельными потерями , состоит из суммы, по крайней мере, семи видов парциальных коэффициентов затухания:

         (4.14)

где:

– возникает вследствие приложения к оптическому волокну (0В) термомеханических воздействий в процессе изготовления кабеля;

– возникает вследствие температурной зависимости коэффициента преломления материала ОВ;

 – вызывается микроизгибами ОВ;

 – возникает вследствие нарушения прямолинейности ОВ (скрутка);

– возникает вследствие кручения ОВ относительно его оси (осевые напряжения скручивания);

 – возникает вследствие неравномерности покрытия ОВ;

 – возникает вследствие потерь в защитной оболочке ОВ.

Таким образом, дополнительные потери определяются в основном процессами рассеяния энергии на неоднородностях, возникающих вследствие перечисленных влияний, и частично увеличением потерь на поглощение энергии. Причинами увеличения потерь на поглощение являются остаточные осевые и поперечные напряжения в ОВ, могущие возникнуть при изготовлении кабеля.

В ряде случаев микроизгибы могут существенно влиять на прирост . Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться в пределах 0,01-0,1 дБ. Приращение затухания от микроизгибов зависит от мелких локальных нарушений прямолинейности ОВ, характеризуемых смещением оси ОВ в поперечных направлениях на участке микроизгиба. Основными причинами появления микроизгибов являются локальные не осесимметричные механические усилия различного происхождения, приложенные к очень малым участкам ОВ.

Общий вклад потерь, создаваемых микроизгибами, может быть значителен. Вследствие микроизгиба происходит ограничение апертурного угла излучения, распространяющегося по ОВ, и часть энергии излучается из ОВ. 

Зависимость потерь на затухание от микроизгибов α можно определить из выражения:

  (4.15)

где:

– число неоднородностей в виде выпуклостей со средней высотой на единицу длины;

– радиус сердцевины;

– диаметр оптической оболочки;

– относительное изменение профиля показателя преломления;

и – показатели преломления сердцевины и оболочки;

и – параметры, определяющие механические напряжения в световоде.

Кроме микроизгибов в кабелях возможны макроизгибы. Потери, возникающие при этом, рассчитываются по следующей формуле:

          (4.16)

Параметр определим из соотношения:

    (4.17)

где:

– радиус изгиба кабеля (во много раз больше ).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51234. Организации импортной деятельности предприятия ООО «Курганхиммаш» на рынке продукции химического машиностроения 118.49 KB
  Изучить историю создания и развития предприятия, его организационную структуру; изучить положение об отделе внешнеэкономической деятельности ООО «Курганхиммаш» и должностной регламент сотрудников отдела: функции отдела и задачи отдела; ознакомиться с нормативно – правовой базой деятельности отдела ВЭД: нормативно – правовые акты, регламентирующие деятельность отдела, информационные базы данных отдела, методические разработки и рекомендации, используемые в работе должностными лицами отдела...
51235. Роль аэробики в системе оздоровления детей школьного возраста 70.35 KB
  Дать характеристику основным движениям аэробики с применением терминологии; Описать содержание, структуру и методику проведения занятий аэробикой; Обосновать влияние занятий аэробикой на физическую подготовленность детей школьного возраста.
51236. Российский биржевой рынок: структура и перспективы развития 389.5 KB
  Провести анализ российского биржевого рынка, в том числе: Московской Межбанковской Валютной Биржи (далее ММВБ), как крупнейшую универсальную биржу России, выделить основные направления ее деятельности и рассмотреть показатели этой деятельности, рассмотреть Российскую Торговую Систему (далее РТС)