Передача сигналов по оптическим волокнам

Рассмотрим процесс прохождения оптических лучей по ОВ более подробно на основе лучевой     теории     передачи     сигналов     по     ОВ,     воспользовавшись     пояснениями, представленными на рис. 3.5. Из рисунка  следует, что между длиной волны λ, диаметром сердцевины d и углом падения ΘП справедливо выражение: cos ΘП = λ/d. При этом возможны три случая [26]:

1)     При  малых длинах  волн (λ  → 0, c/λ  → ∞) угол  падения  ΘП   → 90°,  число отражений при распространении луча мало, луч стремится  к  прямолинейному движению вдоль оси ОВ, передача происходит в оптимальном режиме (рис. 3.5, а).

Рис. 3.5

2)     При  длине  волны  λ  →  d,  частота  f  =  c/λ  →  c/d,  угол  падения  ΘП   →  0  и  луч испытывает большое число отражений, его поступательное движение весьма мало, передача оптического сигнала не оптимальна (рис. 3.5, б).

3)     При определенной длине волны λ0 = d, частота f0 = c/λ0 = c/d0, угол падения ΘП = 0. Луч попадает на границу «сердцевина – оболочка» и отражается от нее перпендикулярно. В сердцевине  ОВ  устанавливается  режим  стоячей  волны,  оптическая  мощность  по  ОВ  не передается  (рис.   3.5,  в).  Этот  случай  соответствует  критической  длине  волны  λ0    и критической частоте f0 электромагнитного колебания оптического излучения.

Таким образом, в ОВ могут распространяться только волны, длина которых  меньше

диаметра его сердцевины. Действительно, практически λ = 1,3 или 1,55 мкм намного меньше диаметра  сердцевины  d  =  50  или  62,5  мкм  многомодовых  оптических  волокон  (MOB). Оговоренное условие λ < d справедливо и для ООВ, у которых d = 8… 10 мкм.

Вернемся к выражению cosΘП  = λ/d. Из формулы sin2ΘП  + cos2ΘП  = 1 имеем cosΘП  =

=   1- sin

Q П  .  Подставляя  сюда  условие  полного  внутреннего  отражения  sinΘП   =  n2/n1,

получим   cosΘП    =

1- (n2

/ n )2  .  Приравнивая  правые  части  косинусов,  будем   иметь

выражение для критической длины волны:

d       2           2

l0  =

n1

n1  – n2  .

Критическая   частота   оптического   колебания    f0     =    ν1/λ0,   где    ν1     –    скорость распространения оптического сигнала в сердцевине ОВ: ν1 = с/п1. Подставляя выражения для λ0 и ν1 в формулу для критической частоты, получим:

f0  =

d

c        .

n2 – n2

1           2

Приведенные соотношения для λ0 и f0 позволяют сделать следующие выводы:

1. Чем больше диаметр сердцевины OB (d = 2а) и чем больше возрастают показатели

преломления сердцевины и оболочки п1 и п2 соответственно, тем больше критическая длина волны и ниже критическая частота.

2. При равенстве п1 = п2 получим λ0 = 0, f0 → ∞ и передача по такому ОВ невозможна. Это  заключение  имеет  свое  логическое  обоснование:  при   отсутствии  границы  между сердцевиной и оболочкой ОВ перестает действовать как направляющая среда.

3. Оптические волокна имеют частоту отсечки – критическую частоту f0, выше которой ОВ ведут себя как фильтры верхних частот и по ним (по ОВ) возможна передача лишь тех волн,  длина  которых  меньше  λ0.  При  частоте  оптических  сигналов  f  >  f0   их  энергия концентрируется внутри сердцевины ОВ и распространяется вдоль нее. Оптические сигналы, имеющие частоту f > f0, рассеиваются в окружающем пространстве и по ОВ не передаются.

Приведенный краткий анализ передачи оптических сигналов на основе лучевой теории

справедлив лишь для ОВ, у которых λ << d, так как оптические лучи в них распространяются в соответствии с законами геометрической оптики.

Если  же  размеры  поперечного  сечения  сердцевины  ОВ  сравнимы  с  длиной  волны оптического излучения, то для анализа распространения оптического излучения в таких ОВ необходимо использовать волновую теорию распространения сигналов по ОВ.

Волновая  теория  рассматривает  процесс  передачи  сигналов  по  ОВ  как   передачу разновидности  электромагнитных  волн.  Для  анализа  этого  процесса  необходимо  найти решение волнового уравнения Максвелла в цилиндрической  системе координат. Здесь это решение не приводится, его можно найти в работе [29]. В общем случае волновое уравнение имеет  несколько  решений.  Каждому  из  них   соответствует  колебание  с  определенной пространственной  структурой   электрического  и  магнитного  полей  и  соответствующей постоянной  распространения, т. е. фазовой скоростью. Каждое из этих колебаний имеет определенный тип волны, или моду. Любое оптическое излучение, передаваемое  по ОВ, можно     представить     как     суперпозицию     мод,     т.     е.     как     результат     сложения распространяющихся в нем колебаний.

В оптическом волокне могут существовать два типа волн: симметричные Еот,  Ноп  и несимметричные (дипольные) ЕНпт, НЕпт, где п и m – число изменений электромагнитного поля  по  диаметру  и  длине  ОВ  соответственно.  По  волновой  теории  в  ОВ  передается ограниченное  число  волн,  которое  может быть  рассчитано,  если  известны  длина  волны, диаметр сердцевины ОВ и разность показателей преломления сердцевины и оболочки.

Основная  мода  образуется  лучом,  направляемым  вдоль  оси  ОВ,  так  как   только параметры  распространения  осевого  луча  не  зависят  от  условий  отражения  на  границе

«сердцевина   –   оболочка».   Подбирая   параметры   ОВ,   в   нем   можно   получить   режим распространения только одной несимметричной моды типа НЕ11.

Оптическое волокно, в котором распространяется только одна волна  (мода)  типа НЕ11, называется одномодовым.

Обычно  режим  работы  ОВ  характеризуется  обобщенным  параметром   ν,  который объединяет диаметр сердцевины d = 2a, коэффициенты преломления п1 и п2 и длину волны оптического   излучения   λ.   Этот    параметр    называются   нормированной   частотой   и определяются выражением:

n   = 2pa

n2 – n2  .

l               1           2

Режим одномодовой работы реализуется при условии: 0 < ν < 2,405.  Для заданной длины волны λ это условие можно выполнить, уменьшая либо разность (п1 – n2), либо радиус сердцевины ОВ.

Для типичного случая (п1 = 1,5; п2= 1,49) получим ν ≈ 0,6 а/λ, а максимальное значение диаметра сердцевины ОВ при λ = 1,6 мкм составит 12,8 мкм.

Достоинством  ООВ  является  весьма  широкая  полоса  частот  (большая  пропускная способность),  поэтому  их  используют  в  основном  на  магистральных  сетях,  обеспечивая большую дальность связи и высокую скорость передачи оптических сигналов.

Действительно,   по   Рекомендации   ITU-T   G.958   в   системах   передачи   SDH,   где используются  скорости  передачи  до  40  Гбит/с,  в  качестве   направляющей  среды  для построения СЛТ используют только ООВ.

С увеличением диаметра сердцевины ОВ, а значит и нормированной частоты и, число типов передаваемых мод резко возрастает.

Оптическое   волокно,   в   котором   распространяется   две   и   большее   число   мод,

называется многомодовым. Можно показать, что при одинаковой  нормированной частоте число мод в MOB с параболическим ППП, т. е. в градиентном MOB, в 2 раза меньше, чем в волокне со ступенчатым ППП, что улучшает параметры передачи первого из них.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100