Волоконные световоды

Полное внутренние отражения

Волоконные световоды используются для передачи информации электромагнитными волнами оптического диапазона. В технике волоконно – оптической связи используется ближний инфракрасный диапазон (рис. 7.1), который занимает определённое место на шкале электромагнитных волн.

Рис. 7.1 – Шкала электромагнитных волн

Волоконные световоды обладают уникальными качествами, отличающими их от направляющих систем с металлическими границами. Основными свойствами ВС являются:

- малые поперечные размеры;

- малый коэффициент затухания, не зависящий от поперечных размеров ВС и частоты модулирующего сигнала;

- высокая скорость передачи информации;

- неподверженность внешним электромагнитным воздействиям;

- отсутствие взаимных влияний;

- гальваническая развязка цепей передачи и приёма;

- отсутствие коротких замыканий.

Волоконные световоды являются основой волоконно – оптических кабелей. Волоконный световод состоит из сердцевины с показателем преломления и оболочки с показателем преломления , причём (рис. 7.2)

Рис. 7.2 – Структура волоконных световодов.

Волоконные световоды как среда передачи в технике оптической связи определяют параметры системы и её назначение в целом. Направляющие свойства волоконных световодов, плёночных (планарных) и полосковых оптических волноводов основаны на явлении полного внутреннего отражения света. Такие структуры состоят их оптически прозрачного вещества, окруженного оптически менее плотным материалом. Световые лучи, падающие на торец такой структуры, при определённых условиях захватываются и направляются плёнкой, полоской или волокном. Такое объяснение направляемости света, использующее законы геометрической оптики не учитывает свойства света как электромагнитной волны, поэтому при анализе процессов распространения электромагнитной энергии в световодах используется два подхода – лучевое приближение и волновая теория. Лучевое приближение, основанное на законах геометрической оптики, просто, наглядно, дает качественное представление о процессах распространения в световодах, позволяет произвести некоторые количественные оценки. В геометрической оптике световые волны изображаются лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. В оптически однородных средах лучи прямолинейны. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух сред с разными значениями относительной диэлектрической проницаемости е (или показателя преломления n) в общем случае появляются прошедшая (преломленная) и отраженная волны, при этом предполагается, что обе среды не поглощают свет (рис. 7.3). Углы падения, отражения и преломления связаны соотношением, известным как закон Снеллиуса

(7.1)

где — показатель преломления первой среды, в которой распространяется падающая волна; — показатель преломления смежной среды.

Рис. 7.3 – Полное внутреннее отражение

Если световая волна из оптически более плотной среды падает на границу раздела с оптически менее плотной средой ( > ), то угол падения всегда меньше угла преломления ( < ). С увеличением угла падения увеличивается и угол преломления , пока не наступит момент, когда =90°, т.е. преломленный луч в этом случае скользит вдоль границы раздела двух сред. Таким образом всегда существует критический предельный угол падения при котором преломленная волна распространяется вдоль границы раздела сред ( =90°).

, (7.2)

При дальнейшем увеличении угла падения (т.е. при < ) преломленная волна отсутствует и вся энергия, содержащаяся в падающем луче, полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды (рис. 7.2). Это явление называется полным внутренним отражением. Отраженная волна при этом приобретает фазовый сдвиг, зависящий от угла падения.

Лучевая модель распространения света в световодах не позволяет учесть и проанализировать фазовые соотношения между падающими и отраженными волнами, а также энергетические соотношения между ними. Учет волновых свойств света показывает, что из всего множества световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения от границы направляющей структуры только ограниченное число лучей с дискретными углами могут образовать направляемые волны структуры. Кроме полного внутреннего отражения эти лучи должны удовлетворять еще условию, которое заключается в том, что после двух последовательных переотражений от стенок соответствующие лучам волны должны быть в фазе и таким образом интерферировать при наложении друг на друга. Только когда волны удовлетворяют такому фазовому условию, они будут формировать согласованное распределение поля направляемых волн (мод). Если это условие не выполняется, волны интерферируют так, что гасят сами себя и исчезают. Квантование полей в дискретный ряд направляемых мод было обнаружено только тогда, когда были решены уравнения Максвелла.

Наиболее полные результаты процессов распространения и отражения в световодах, а также энергетические соотношения можно получить, только используя волновую теорию. При анализе процессов распространения в световодах основными являются следующие положения:

-свет, излучаемый каким-либо источником и распространяющийся в свободном пространстве, имеет вид однородной плоской волны если источник или какие-либо рассеивающие объекты или границы достаточно удалены от места наблюдения;

-в прозрачной, однородной и достаточно протяженной среде свет также может распространяться в виде однородных плоских волн;

-материалы, из которых изготовлены световоды, являются немагнитными, изотропными и линейными относительно векторов электрического и магнитного полей.

Числовая апертура и апертурный угол

Световые лучи, падающие на торец при определенных условиях захватываются сердцевиной ВС и распространяются вдоль него (рис 7.4).

Рис. 7.4 – К определению апертурного угла

В сердцевине и оболочке существует два типа лучей: меридиональные, которые расположены в плоскости, проходящей через ось ВС и косые, не пересекающие эту ось. Если точечный источник излучения расположен на оси ВС, то существуют только меридиональные лучи. Если же точечный источник расположен вне оси, или имеется сложный источник, то появляются одновременно как меридиональные, так и косые лучи.

Рассмотрим ход меридиональных лучей, падающих из свободного пространства с показателем преломления на торец ступенчатого ВС и распространяющихся затем вдоль сердцевины (рис. 7.4). Луч, падающий под углом к оси световода, преломляется на торцевой поверхности под углом , а затем падает на границу раздела сердцевина–оболочка под углом , далее в зависимости от величины угла он частично или полностью отражается в сердцевину. В соответствии с (7.1) на границе раздела внешняя среда–торец ВС

. (7.3)

На границе раздела сердцевина–оболочка при < луч распространяется вдоль сердцевины, многократно отражаясь на границе с оболочкой, при этом выполняется условие (7.2).

При = получается максимальный угол падения (ввода), при котором луч удерживается сердцевиной, этот угол называется апертурным углом, обычно он характеризуется величиной , которая называется числовой апертурой.

С учетом (7.2), (7.3) после преобразований найдем значение числовой апертуры

. (7.4)

Рис. 7.4 – К расчету числовой апертуры

Апертурный угол ступенчатого ВС определяет половину угла при вершине конического пучка лучей, которые захватываются и направляются ВС.

Числовая апертура является важным параметром ВС, она определяется эффективность ввода излучения в ВС, потери на изгибах, дисперсию, число распространяющихся мод. Увеличение разности показателей преломления увеличивает апертурный угол, что увеличивает эффективность ввода излучения в волокно, но при этом увеличивается дисперсия.

Числовая апертура зависит от материала и способа изготовления световодов. В технике связи наибольшее распространение получили световоды на основе кварцевых стекол, получаемые способом осаждения из газовой среды. Для изменения показателя преломления кварцевого стекла (окиси кремния) используют различные добавки, в том числе фосфор, германий, бор, титан, алюминий. Относительная разность показателей преломления в одномодовых кварцевых волокнах изменяется в пределах 0,002—0,01, а в многомодовых ВС от 0,005 до 0,02. Обычно числовая апертура ВС равна 0,18—0,25.

Формула (7.4) учитывает только меридиональные лучи ВС, од­нако в реальных условиях лишь часть пучка световых лучей источника преобразуется в меридиональные лучи, с ВС распространяются также и косые лучи, поэтому вводится понятие действительной числовой апертуры , учитывающей и косые лучи ( ).

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей длине волны мод ВС делятся на одномодовые (распространяется одна волна) и многомодовые.

В соответствии с требованиями ITU для многомодовых ВС диаметр сердцевины 2а=50 мкм, диаметр оболочки 2b=125 мкм, диаметр сердцевины одномодовых ВС составляет обычно 8 – 10 мкм.

Для характеристик ВС большое значение имеет закон изменения показателя преломления как функции его радиуса n=n(r), который называется профилем показателя преломления (ППП). Наибольшее распространение получили ВС двух типов: со ступенчатым ППП (ступенчатые) и градиентным ППП (градиентные). В ступенчатых ВС показатель преломления в сердцевине постоянен, и существует резкий переход от сердечника к оболочки, т.е.

.

Градиентные ВС имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода

где – относительная разность показателей преломления, r – текущий радиус.

На рис. 7.5 приведены поперечные сечения и типовые распределения показателей преломления ВС.

Двухслойное волокно с однородными сердцевиной и оболочкой и скачком показателя преломления между ними является идеализированной моделью, от которой реальные волокна несколько отличаются. Даже в том случае, когда исходные материалы сердцевины и оболочки однородны, при нагреве и вытяжке волокна происходит диффузия материала, которая размывает границу между сердцевиной и оболочкой. При изготовлении градиентных световодов по технологическим причинам часто получают в центре сердцевины область с уменьшенным значением показателя преломления (рис. 2.10 д). Такие ВС называются световодами с осевым провалом в ППП.

ВС с g=2 называются параболическими, т.к. профиль показателя преломления описывается параболой. ВС с градиентным ППП обладают лучшими свойствами для передачи сигналов, чем ступенчатые ВС, наилучшим ВС для передачи сигналов является ВС с параболическим ППП. На рис. 7.6 б показан ход лучей в градиентном ВС.

а) многомодовый ВС со ступенчатыми ППП; б) градиентный ВС; в) одномодовый ВС; г) ВС W-типа

Рис. 7.5 – Профили показателей преломления ВС

Профиль показателя преломления определяет траекторию распространения лучей в ВС на рис. 7.6 приведены примеры хода лучей в разных типах ВС.

Рис. 7.6 – Распространение света в разных типах ВС

а) Многомодовый ступенчатый ВС;

б) Многомодовый градиентный ВС;

в) одномодовый ВС.

Основные положения волновой теории ВС

Анализ процессов в ВС в рамках лучевой теории позволяет получить некоторые результаты, но он не даёт представления о всех особенностях распространения света, как электромагнитной волны.

Методика анализа ВС, аналогична методике анализа распространения волн в круглом волноводе.

В ВС присутствуют только токи смещения, а токи проводимости равны нулю. В световоде кроме волн Е и Н распространяются гибридные моды типа и , для которых и одновременно. Решение волнового уравнения представляется функциями Бесселя, а условие распрстранения той или моды определяется обращением в нуль функцией Бесселя (Е - волны) или её производных (Н - волны).

В волоконных световодах, как и в волноводах, распространяется дискретный набор лучей. Каждому лучу соответствует определённая структура поля, которая определяет тип волны – моду. Чем чаще луч отражается от границы сердцевина/оболочка, тем сложнее структура поля, тем выше порядок моды. При определённых условиях в ВС распространяется только один луч осевой и, соответственно, одна мода. Такой ВС называется одномодовым. Условие распространения одной моды

, (7.5)

где – длина волны оптической несущей.

Границы отсечки той или иной моды определяются значениями параметра V. Этот параметр называется нормированной критической частотой. Множество дискретных значений V, определяющих возможность существования той или иной моды совпадает с множеством корней цилиндрических функций, при этом порядок цилиндрической функции m определяет число вариаций поля по азимуту, а порядок корня цилиндрической функции – по диаметру ВС. На рис. 7.7 приведены графики функций Бесселя J₀ и J₁, а в таблице 2.1— первые четыре корня функций J₀ и J₁.

Рис. 7.7 – Функции Бесселя нулевого (J₀) и первого (J₁) порядков

Корни функций Бесселя опреде­ляют критические значения пара­метра V_кр, который в этом случае называется норми­рованной критической частотой, он позволяет определить критические длины волн симметричных мод , которые соответствуют критическим режимам. Для распространяющейся моды должно выполняться условие , т. е. V>V_0n , причём один из индексов всегда равен нулю.

Симметричные волны порождаются меридиональными лучами, это волны и . Гибридные волны образуются косыми лучами.

Таблица 7.1 – Нули функции

	n
т	1	2	3	4
0	2,405	5,520	3,654	11,790
1	0	3,832	7,016	10,173

Каждая из этих мод имеет критическое значение нормированной частоты V_mn=P_mn, m=1,2,3,…, n=1,2,3,..., a при заданных параметрах ВС критическая длина волны определяется по формуле

. (2.33)

Нормированная критическая частота даёт возможность определить тип распространяющихся мод. ВС, по которому распространяется только одна мода, называется одномодовым, в противном случае многомодовым.

Из рис. 7.7 и таблицы 2.1 видно, что среди направляемых мод особое положение занимает мода НЕ₁₁, у которой т.е. эта мода имеет длины волны отсечки.

Это основная мода ступенчатого ВС, она существует и распространяется при любой длине волны и конструктивных параметрах ВС. С точки зрения геометрической оптики основная мода образуется осевым лучом, т.к. только в этом случае характеристики распространения осевого луча не зависят от условий отражения на границе сердцевина–оболочка. Азимутальная симметрия ВС приводит к поляризационному вырождению этой моды, т.е. в ВС всегда распространяется не одна, а две основные моды с одинаковой структурой поля, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Любое нарушение осевой симметрии (например, эллиптичность сердцевины) приводит к различию коэффициентов фаз мод, т.е. к модовой поляризационной дисперсии.

С увеличением нормированной частоты появляется возможность существования других направляемых мод, которые принято называть высшими. При V ≥ 2.405 начинают распространяться моды H₀₁ и Е₀₁, при V ≥ 2.443 появляется мода НЕ и т.д. (рис. 7.7). Таким образом, можно определить границу одномодового режима: V< 2.405. Исходя из этого значения V можно определить конструктивные параметры одномодового ВС для какой-либо длины волны оптической несущей, и наоборот. Число распространяющихся мод, как это следует из рис. 7.7 и таблицы 7.1, резко возрастает с увеличением V и приближенно может быть определено по формуле для ступенчатого ВС

. (7.7)

В настоящее время в технике ВОСП для систем с высокой скоростью передачи используются в основном одномодовые. волокна, т.е. волокна, в которых распространяется один тип волны. Многомодовый режим работы ВС приводит к такому нежелательному явлению, как уширение импульсов. Множество типов волн, распространяющихся по ВС, называется "континуумом мод". Некоторое представление о континууме мод дает рис. 7.7. На рис. 7.8 представлены распределения полей для некоторых мод ВС. Для градиентного ВС с параболическим ППП множество распространяющихся мод определяется

. (7.8)

Рис. 7.8 – Структура поля некоторых мод в ВС

Из (7.7) и (7.8) видно, что при одинаковой нормированной частоте число направляемых мод в градиентных ВС в 2 раза меньше, чем в ступенчатых. Следует отметить, что градиентные ВС применяются только в многомодовых световодах, где их преимущества существенны. При распространении по ВС большого числа мод полная картина распространения поля будет сложной композицией всех этих мод, в результате чего образуется интерференционная структура. Такая структура наблюдается на выходе многомодового волокна при вводе в него когерентного излучения. В одномодовых ВС излучение происходит с части поверхности, которая называется модовым пятном.

Зоновые (внутриобластные) кабели.

Для организации зоновой связи, т.е. связи областного центра с районными, применяются: одночетверочные кабели с полиэтиленовой и кордельно-полистирольнои изоляцией, уплотняемые 60-канальной ап­паратурой типа К-60П, U-60-E в спектре частот 12-252 кГц; однокоаксиальные кабели ВКПАШп-2,1/9,7, уплотняемые аппаратурой К-120 по однокабельные двухполосной системе в диапазоне частот до 1,32 МГц.

Известно несколько модификаций одночетверочных кабелей:

ЗКП-1х4 - с полиэтиленовой изоляцией и полиэтиленовой обо­лочкой;

ЗКВ-1х4 - с полиэтиленовой изоляцией и поливинилхлоридной оболочкой;

ЗКПАШп-1х4 - с полиэтиленовой изоляцией и алюминиевой обо­лочкой;

МКС-1x4 - с кордельно-полистирольной изоляцией в свинцовой и алюминиевой оболочках.

Зоновые кабели с полиэтиленовой изоляцией и пластмассовой оболочкой в зависимости от конструкции защитного покрова маркиру­ются следующим образом :

ЗКП - в полиэтиленовой оболочке;

ЗКПВ - то же, с ленточной броней;

ЗКПК - то же, с круглопроволочной бронёй;

ЗКВ - в поливинилхлоридной оболочке;

ЗКВБ - то же, с ленточной бронёй;

ЗКВК - то же, с круглопроволочнои бронёй.

Сердечник кабелей состоит из одной высокочастотной четвёрки звёздной скрутки. Токопроводящие жилы - медные диаметром 1,2 мм. Изоляция - сплошной полиэтилен радиальной толщины 1,1 мм. Изоли­рованные жилы скручены вокруг полиэтиленового центрирующего корделя диаметром 1,8 мм. Жилы первой пары имеют цвета красный и жёлтый (натуральный), второй пары - синий и зелёный. Поверх чет­вёрки заполнение из полиэтилена с бутилкаучуком, диаметр по за­полнению 11,4 мм. Поверх заполнения наложен экран из алюминиевых или медных лент толщиной соответственно 0,15 и 0,10 мм. Между алюминиевыми лентами размещены луженые медные проволоки диамет­ром 0,3 - 0,5 мм. Экран покрыт слоем битумного компаунда, поверх которого накладывается оболочка из полиэтилена в кабелях типа ЗКП и поливинилхлорида в кабелях ЗКВ. Толщина оболочки 2,2 мм. Кабели ЗКПБ и ЗКВБ имеют поверх пластмассовой оболочки броню из двух стальных лент толщиной 0,3 мм, а кабели ЗКПК и ЗКВК - броню из оцинкованных стальных проволок диаметром 1,8 мм. Строительная длина одночетвёрочных кабелей 1000 м.

Кабель ЗКПА - 1x4 с полиэтиленовой изоляцией в алюминиевой оболочке в зависимости от вида защитного покрова маркируется сле­дующим образом: ЗКПАШп - в алюминиевой оболочке; ЗКПАБп - то же, с ленточной бронёй; ЗКПАКпШп - то же, с круглопроволочной бронёй. Кабель состоит из одной высокочастотной четвёрки звёздной скрутки (рис.12). Токопроводящие жилы - медные диаметром 1,2 мм. Изоляция - сплошной полиэтилен радиальной толщины 1,1 мм. Жилы скручены вокруг сердечника - корделя из полиэтилена диаметром 1,3 мм. По­верх четвёрки накладываются заполнение из полиэтилена и алюминие­вая влагозащитная оболочка толщиной 1,0 мм. Снаружи накладывается слой битумного компаунда и полиэтиленовый шланг радиальной толщи­ны 2,5 мм. Конструкция защитных покровов аналогична кабелям ЗК с пластмассовой оболочкой. Строительная длина кабеля 1000 м.

рис 12. Разрез кабеля типа ЗК:

1- кордель - сердечник из полиэтилена:

2- медная жила:

3- полиэтиленовая изоляция:

4- заполнение:

5- алюминиевая оболочка (ЗКПА):

6- экранные ленты (ЗКП,ЗКВ):

7- битумный состав:

8- шланг:

9- подушка:

10- стальные ленты:

11- наружный покров.

Однокоаксиальныи кабель ВКПАШп-2,1/9,7 предназначен для ор­ганизации зоновой связи. Кабель уплотняется аппаратурой К-120 по однокабельной двухполосной системе организации связи: 60-552 кГц в прямом направлении и 718-1320 кГц в обратном направлении. Общая дальность связи с двумя переприёмами 600 км. Номинальная длина усилительного участка составляет 10 км. Рассматриваемый кабель (рис.13) имеет следующие модификации:

ВКПАШп - внутризоновый коаксиальный с пористо-полиэтиленовой изоляцией с алюминиевым внешним проводником в полиэтиленовой обо­лочке;

ВКПАШпт - то же, с самонесущим встроенным тросом;

ВКПАКШп - то же, с бронёй из круглых проволок в полиэтилено­вом шланге.

Кабели типов ВКПАШп и ВКПАКШп служат для непосредственной прокладке в земле (последний - через водоёмы). Кабель ВКПАШпт подвешивается на опорах воздушных линий связи, при этом крепление к опоре производится посредством клемм - консолей. Длина пролетов подвесного кабеля составляет 50-65 м.

Внутренний проводник кабеля выполнен из медной проволоки ди­аметром 2,1 мм; изоляция - из пористого полиэтилена. Внешний про­водник представляет собой алюминиевую трубку толщиной 1,0 мм с внутренним диаметром 9,7 мм, которая выполняет одновременно роль экрана. Защитная оболочка выполнена из светостойкого полиэтилена радиальной толщины 2,5 мм. Строительная длина кабелей 600 м.

рис.13.Кабели ВКПАШп (а) и ВКПАШпТ (б):

1- трос:

2- шланг:

3- внешний проводник (алюминиевый):

4- пористо - полиэтиленовая изоляция:

5- внутренний проводник (медь).

22