Оптические характеристики волоконного световода
I. Дисперсия ОВ.
Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ:
Рис. 1 – Искажение формы импульсов вследствие дисперсии
Численное определение дисперсии:
,
Дисперсия ограничивает максимальную частоту передаваемого сигнала (ширину полосы пропускания) и информационную емкость кабеля.
Виды дисперсии в оптическом волокне: модовая дисперсия, молекулярная дисперсия, волноводная дисперсия.
Таблица.1 – Дисперсионные свойства различных ОВ выпускаемых по рекомендациям ITU-TG.651 и G.652.
| Вид дисперсии | Многомодовое ОВ | Одномодовое ОВ | |
| Ступенчатое (ΔF=10-100МГц) | Градиентное (ΔF=100-1000МГц) | ||
| Модовая | (20-50) нс/км | (1-4) нс/км | отсутствует |
| Волноводная | Малое значение дисперсии | Малое значение дисперсии | Взаимная компенсация |
| Материальная | (2-5) нс/км | (0,1-0,3) нс/км |
Модовая дисперсия.
Наблюдается только в многомодовых волокнах.
Причина возникновения: составляющие светового импульса проходят различные пути и достигают противоположного конца волокна в разное время.
Время распространения световой волны в ступенчатом волокне: 
Величина модовой дисперсии ступенчатого волокна:
Для градиентных ОВ:
Способы уменьшения модовой дисперсии:
1. использование волокна с сердцевиной меньшего диаметра, поддерживающего меньшее количество мод.
2. использование волокна со сглаженным индексом. В этом случае световые лучи, распространяющиеся по более длинным траекториям, имеют скорость, превышающую среднюю, и достигают противоположного конца волокна в тот же момент, что и лучи, движущиеся по более коротким траекториям.
3. использование одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.
Молекулярная дисперсия.
Наблюдается во всех типах волокон. Основной тип дисперсии в одномодовых волокнах. В области длин волн от 820 до 850 нм молекулярная дисперсия равна примерно 0.1нсек/нм ширины спектра.
Причина возникновения: показатель преломления материала волокна зависит от длины волны - лучи с различными длинами волн распространяются в волокне с различными скоростями, даже в одной и той же моде.
Основные факторы, влияющие на молекулярную дисперсию:
1. Спектральная ширина источника, инжектирующего излучение в волокно. Светодиод (СИД) характеризуется большей спектральной шириной, чем лазер – около 35нм для светодиода и от 2 до 3нм для лазера.
2. Значение центральной рабочей длины волны источника. Для кварца волны с длиной 860нм движутся быстрее, чем волны длиной 850нм. В области 1550нм ситуация меняется на обратную: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными. В некоторой точке спектра происходит совпадение скоростей более коротких и длинных волн - это совпадение скоростей происходит для кварцевых волокон вблизи 1300нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией.
Молекулярная дисперсия является основным видом дисперсии в одномодовых системах. В многомодовых системах наиболее существенной является модовая дисперсия, так что молекулярной дисперсией обычно пренебрегают.
Волноводная дисперсии.
Играет существенную роль в одномодовых волокнах.
Причина возникновения: оптическая энергия в волокне распространяется как по ядру, так и по оболочке, которые имеют принципиально различные показатели преломления и скорости распространения световой энергии.
Способы уменьшения: изменение внутренней структуры волокна с целью уменьшения данного вклада. Это является одним из перспективных направлений в разработке одномодовых систем.
II. Затухание.
Затуханием называется потеря оптической энергии при распространении световых волн по волокну.
Измеряется в децибелах на километр (дБ/км). В пластиковых волокнах может достигать значения 300дБ/км, в кварцевом одномодовом волокне около 0.2дБ/км.
Затухание зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. На заре своего развития оптические волокна работали в окне прозрачности от 820 до 850нм. Второе окно относится к области нулевой дисперсии вблизи 1300нм, третье окно – в области 1550нм. Типичное многомодовое волокно имеет затухание 4дБ/км при 850нм и 2.5дБ/км при 1300нм, что соответствует увеличению эффективности передачи в 30%.
Области высокого затухания находятся вблизи 730, 950, 1250 и 1380нм.
Снижение потерь в волокне требует, чтобы источник света работал в области длин волн с наименьшим затуханием.
Пластиковое волокно лучше всего работает в видимом диапазоне около 650нм.
Важнейшей особенностью затухания в оптическом волокне является его независимость от частоты модуляций внутри полосы пропускания. В медных кабелях затухание увеличивается с частотой сигнала: чем больше частота, тем больше затухание. В результате частота сигнала ограничивает расстояние, на которое может быть послан сигнал. Для увеличения этого расстояния требуется повторитель, осуществляющий регенерацию сигнала. В оптическом волокне оба эти сигнала будут иметь одинаковое затухание.
Затухание в волокне определяется двумя основными эффектами: рассеяния и поглощения.
1. Релеевское рассеяние:
- это потери световой энергии, обусловленные неоднородностью волокна и его геометрической структуры. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях, и свет перестает быть направленным.
Релеевское рассеяние может быть обусловлено вариациями состава и плотности волокна, формирующимися в процессе его производства.
Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, поэтому оно быстро уменьшается по мере роста длины волны. Рэлеевское рассеяние определяет минимальный теоретический предел затухания:
§ 2,5дБ при 820нм
§ 0,24дБ при 1300нм
§ 0,012дБ при 1550нм
2. Примесное поглощение:
- процесс, при котором неоднородности волокна поглощают оптическую энергию и преобразуют ее в тепло. Примесное поглощение в волокне также связано с молекулами воды и гидроксильными группами.
К другим неоднородностям, обуславливающим поглощение, относятся ионы железа, меди, кобальта, ванадия и хрома. Для обеспечения низких потерь производители волокна должны поддерживать концентрацию этих ионов на уровне одной миллиардной доли. Современная технология производства волокна позволяет добиваться этого в контролируемых условиях особо чистого окружения. Поэтому проблема поглощения света в волокне не столь важна, как несколько лет назад.
Микроизгибные потери
Этот вид затухания связан с небольшими вариациями профиля границы сердцевина-оптическая оболочка. Данные вариации границы могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, превышающими условие ПВО. В этом случае световая энергия покидает волокно.
Микроизгибы границы могут возникнуть при производстве волокна. Развитие технологий производства направлено на уменьшение этих микронеоднородностей.
Численная апертура
Численная апертура (Numeric aperture, NA) характеризует способность волокна собирать падающие на его торец лучи. Только лучи, которые инжектируются в волокно под углами, меньше критического, смогут распространяться вдоль него. NA зависит от свойств материалов волокна и определяется показателями преломления ядра и оптической оболочки:
Численная апертура является безразмерной величиной.
Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом, угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно:
где θ – половина угла ввода.
Волокно с большим значением NA хорошо принимает свет, в то время как волокно с малым значением NA можно ввести только узконаправленный пучок света. Значения NA изменяются от 0.5 в пластиковом волокне до 0.2 в волокне со сглаженным профилем показателя преломления.
Как правило, волокна с широкой полосой пропускания имеют малые значения NA. Таким образом, они допускают существование малого числа мод, означающее малую дисперсию и более широкую рабочую полосу.
В одномодовом волокне NA определяется формально, особенного значения для практики она не имеет, так как свет в одномодовом волокне не испытывает отражения или преломления, он не распространяется под углом к границе волокна.
Источники и приемник также имеют свои апертуры. NA источника определяет угловую апертуру выходного света. NA детектора определяет рабочий диапазон углов для приемника. Для источника особенно важно иметь NA, согласованную с NA волокна, чтоб весь свет, излучаемый источником, проникал в волокно и распространялся по нему. Рассогласование NA приводит к дополнительным потерям при передаче света от устройства с меньшим значением NA к устройству с большим значением.
Коэффициент широкополосности.
Определяет максимальную частоту модулирующего сигнала, приведенную к единице длины.
Типичное значение для современных волокон около 800-1200 Мгц*км.