Типы оптических волокон и их числовая апертура

Носителем  передаваемых  сигналов  является  оптический  (лазерный)  луч,   передача которого  в  ОВ  происходит  за  счет  многократного  отражения  от  границы  раздела  двух диэлектриков (сердцевины и оболочки) с различными оптическими свойствами (показатели преломления  п1   и  п2).  Для  обеспечения  направляющих  свойств  ОВ  необходимо,  чтобы показатель преломления сердцевины п1 был больше показателя преломления оболочки п2, т. е. только при условии п1 > п2 оптический сигнал распространяется по сердцевине ОВ.

Показатель преломления оболочки п2 обычно постоянен по сечению ОВ. В сердцевине показатель преломления п1(r) может быть постоянным или изменяться по сечению [94].

Оптическое  волокно,  в  котором  показатель  преломления  п1   в  пределах  сердцевины остается постоянным, а на границе раздела «сердцевина -оболочка» скачком уменьшается до показателя   преломления   оболочки   п2    называется   ступенчатым.   Профиль   показателя преломления (ППП) ступенчатого ОВ показан на рис. 3.3, а. Математическое описание ППП имеет вид:

Рис. 3.4

В  этом  случае  луч  полностью  отражается  от  поверхности  оболочки.  Это  явление называется полным внутренним отражением, его условие:

sin ΘП = п2/п1.

При  увеличении  угла  ввода  до  критического  ΘВ   =  Θmax   (пунктирная  линия)  угол падения уменьшается до ΘПmin, при котором отраженный луч еще удерживается оболочкой. При  ΘВ   >  Θmax   угол  падения  становится  меньше  ΘПmin   и  лучи  уходят  из  сердцевины  в окружающую ее среду (оболочку, защитные покрытия и далее).

Угол  ввода  ΘВ    ≤  Θmax,  при  котором  вся  энергия  луча  отражается  от   границы

«сердцевина – оболочка», называется углом полного внутреннего отражения. Его  можно

указать в градусах или радианах, но он определяется по формуле: А = n0  sinΘmax,  где n0  – показатель преломления окружающей среды. Если торец ОВ находится в воздухе, то n0 = 1 и А = sinΘmax.

Последнее выражение определяет параметр, который называется числовой  апертурой

волокна.

2           2

Можно показать, что числовая апература  A =

n1  – n2

= n1

2D , при этом  учтено, что

Δ <<  1  и  п1    +  п2    =  2п1.  Числовая  апертура  является  параметром,   характеризующим эффективность  ввода  оптического  излучения  в  ОВ.  Она  определяет  синус  угла  между оптической  осью  и  образующей  конуса,  который  называется  апертурным.  Его  вершина направлена в центр торца ОВ. При этом  угле выполняется условие полного внутреннего отражения.

Из выражения для числовой апертуры следует, что с увеличением разности  п1  – п2 значение А возрастает, что повышает эффективность ввода оптического  излучения в ОВ. Однако при этом возрастают искажения передаваемых оптических импульсов. Поэтому для ступенчатых   ОВ,   практически  используемых   в   волоконно-оптических   ЦЛТ,   числовая апертура обычно находится в пределах 0,18…0,23.

Для   градиентного   ОВ   локальная   числовая   апертура   определяется   выражением

A(r ) =

n2 (r )- n2  .  На  оси  ОВ  она  достигает  максимального  значения   A

=   n2 (0)- n2  ,

1                  2                                                                                                                                                                                max               1                   2

которое  называется  числовой  апертурой  градиентного  ОВ.  При  расчетах  эффективности ввода  оптического  излучения  в  градиентное  ОВ  его  рассматривают  как  ступенчатое  и характеризуют   эффективной   числовой   апертурой.   Для   ОВ   с   параболическим   ППП

эффективная числовая апертура определяется выражением A    =  1

n2 (r )- n2  .

ЭФ                         1                  2

Кроме рассмотренных ступенчатого и градиентного типов, существуют ОВ, имеющие различные другие ППП – треугольный, трапециеобразный, W-типа и т. д. [98, 99].

В общем случае в ОВ любого типа, при подключении к нему источника  оптического излучения,  возникает  три  разновидности  волн:  направляемые,  излучаемые  и  вытекаемые [26].

Направляемые волны. Оптические лучи, которые распространяются по сердцевине ОВ, отражаясь от границы «сердцевина – оболочка»,  накладываются  друг на друга и образуют направляемые волны (моды). Это волны сердцевины – основной вид волн, передаваемых по ОВ (см. рис. 3.4, лучи 1). Здесь вся энергия луча сосредоточена внутри сердцевины ОВ, чем и   обеспечивается  передача   оптических   сигналов.   Это   волны,   которые   возбуждаются подведенными лучами, попадающими в апертурный конус.

Излучаемые (пространственные) волны, они возникают в ОВ при вводе в него лучей под углом ΘВ > Θmax, т. е. вне апертурного конуса. Здесь уже в начале ОВ вся энергия этих лучей передается в окружающее пространство и не распространяется вдоль ОВ (см. рис. 3.4, луч 3). Это вызывает дополнительные потери мощности источника излучения, введенной в ОВ, и переходные помехи между волокнами, расположенными в одном кабеле.

Вытекаемые волны (волны оболочки), они возникают и распространяются в оболочке ОВ за счет полного внутреннего отражения от границы «оболочка – защитное покрытие» (см. рис.  3.4,  луч  2).  Часть  вытекаемых  волн  из-за  неоднородностей  оболочки  излучается  в окружающее пространство, вызывая переходные помехи между ОВ данного кабеля.

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