3. Понятие о дисперсии

При распространении по волокну сигнал испытывает затухание и растяжение (рис.4).

Рис.1.4. Затухание и растяжение сигнала при распространении по волокну

Если на входе в волокно мы имеем прямоугольный импульс, то после пробега некоторого расстояния на выходе имеем колоколообразный импульс, длительность которого обычно определяют на уровне 0.5.

Величина τ = называется дисперсией сигнала в волокне. Практически это означает растяжение сигнала после его прохождения по волокну. Дисперсия имеет очень большое значение, поскольку ограничивает скорость передачи сигналов (рис.1.5).

Рис.1.5. Деформация серии сигналов при распространении по волокну

При большой скорости (частоте) передачи сигналов в результате дисперсии сигналы начинают сливаться, и передача с частотой свыше, чем 1/τ невозможна.

4. Распространение света по волокну

Распространение лучей света по ступенчатому и градиентному волокнам показано на рис.1.6 и 1.7. Будем считать, что оба луча на этих рисунках испытывают полное внутренне отражение. Два луча выходят из одной точки расширяющимся конусом и под разными углами входят в торец волокна. Какой из них на рис.1.6 придёт к выходу раньше?

Рис.1.6. Распространение света по ступенчатому волокну

В ступенчатом волокне скорость лучей в сердцевине одинакова и равна v = c /n₁, где с- скорость света в вакууме. Так как луч 1 проходит по более короткому пути, то он к выходу доберётся первым; луч 2 придёт позже, и возникнет дисперсия сигнала. Рассмотрим теперь рис.7: те же два луча распространяются по градиентному волокну. Так как коэффициент преломления в сердцевине градиентного волокна непрерывно изменяется, то лучи испытывают непрерывное отклонение. При этом луч 1 идёт

Рис.1.7. Распространение света по градиентному волокну

вблизи сердцевины, где коэффициент преломления примерно равен n₁, а скорость распространения v₁ = c/n₁ . Луч 2 идёт больше по периферии волокна ближе к краю, где коэффициент преломления равен n₂ , а скорость распространения v₂ ≈ c/n₂ . Луч 1 идёт по короткому пути, зато скорость его распространения меньше, в то время как луч 2 идёт по более длинному пути, но с большей скоростью, так как n₁ > n₂ . В результате оба луча к выходу приходят примерно одновременно, и дисперсия в градиентном волокне существенно меньше, чем при том же сечении в ступенчатом волокне.

5. Понятие о моде.

Световая волна в пространстве имеет определённую длину волны, в пределах которой изменяются векторы электрического и магнитного поля. Волна может иметь различные размеры и форму, а так же различным образом ориентирована по отношению к выбранной системе координат среды распространения, то есть поляризована. Возможно также различное соотношение между длиной волны и поперечными размерами среды распространения. Свет в сердцевине волокна может распространяться только под определёнными углами, когда введённые волны при их сложении усиливаются, и возникает так называемая конструктивная интерференция. Тип волны, характеризуемый определённой пространственной и временной структурой, который может распространяться в оптическом волокне, называется модой. Математически разрешённые моды могут быть получены с помощью решений уравнений Максвелла для оптического волокна с учётом граничных условий. Можно сказать также, что мода – это собственная волна, имеющая поперечное распределение поля независимо от направления распространения. В случае волокна простейшей модой является волна с продольными линиями электрического поля, расположенными вдоль волокна (рис.1.8) и линиями магнитного поля, которые представляют собой концентрические окружности в сечении волокна.

Рис.1.8. Простейший случай размещения моды в волокне

Линии электрического поля вдоль волокна показаны пунктиром. С торца волокна линии электрического поля представляют собой линии, направленные в данном случае к оси волокна. Магнитные силовые линии в сечении этой моды представляют собой концентрические окружности (на чертеже не показаны). На рис.1.8 показано так же, как изменяется в этом случае величина электрического поля вдоль сечения волокна. Это пример волны, в котором электрическое поле продольно, а магнитное поперечно. Но может быть и наоборот, когда магнитное поле продольно, а электрическое поле поперечно. В сечении может размещаться несколько периодов (см., например, рис.1.9), и волна может быть (в большинстве случаев) гибридной, когда имеются и продольные и поперечные составляющие и электрического и магнитного полей.

Рис.1.9. Пример моды.

Важно отметить, что количество полупериодов, размещающихся в сечении волокна, должно быть целым. Не может существовать мода с не целым числом полупериодов в сечении волокна. Такая мода распадётся на моды с меньшей величиной полупериода. Обычно в волокне могут существовать множество мод. Если уменьшать диаметр волокна, то можно прийти к такому размеру, когда в волокне останется только одна мода с данной длиной волны. Такое волокно называется одномодовым.