Распространение различных мод по оптоволокну

Электрические сигналы передаются по ОВ в результате возбуждения в них световых волн.

Под волной понима­ется процесс распространения состояния или его возбуждения без фактического переноса массы или вещества самой среды.

В случае световой волны состояние — это ЭМ процесс, распро­страняющийся в светопропускающем веществе.

При лучевом подходе распространение света по волокну трактует­ся как различные траектории лучей. При электромагнитном подходе этим лучам соответствуют различные типы волн (моды).

Термин мода представляет собой физическое и математическое понятие, связанное с определенным типом ЭМ волны.

Мода ОВ, как физическое понятие, характеризует тип волны оптичес­кого излучения, распространяющегося по ОВ и характеризующегося определенной структурой поля в его поперечном сечении и опреде­ленной фазовой скоростью.

С математической точки зрения мода — каждое из решений уравнений Максвелла.

В зависимости от разме­ров и физических характеристик световода в нем возможно распро­странение нескольких мод или только одной моды. В первом случае световод называется многомодовым, во втором — одномодовым. ЭМ подход, как более общий, дает ответы на вопросы, которые невозможно получить в рамках лучевого подхода, например, объяснение природы волноводной дисперсии.

В общем случае в волоконном световоде могут существовать три типа волн — направляемые, излучаемые и вытекающие.

Направляемые волны (НВ) (волны сердцевины) - это основной тип волны, распространяющейся по световоду. Здесь вся энергия сосредоточена внутри сердцевины световода и обеспечивает пе­редачу информации. Направляемые волны возбуждаются при вво­де лучей в торец световода под углом, большим угла полного отра­жения (φ < θ_б), т.е. в пределах апертурного угла.

Излучаемые волны (ИВ) (пространственные волны) возникают при вводе под углом, меньшим угла полноте отражения (φ > θ₆), т.е. вне апертуры. Здесь вся энергия уже в начале линии излучается в окружающее пространство и не распространяется вдоль свето­вода. Это связано с дополнительными потерями энергии. Излучае­мые волны и рассеяние энергии такие возникают в местах нерегулярностей световодов.

Промежуточное положение занимают вытекающие волны (ВВ) (волны оболочки). Здесь энергия частично распространяется вдоль световода, а часть ее переходит в оболочку и излучается в откры­тое пространство.

Волны излучения и волны оболочки — паразитные волны, ко­торые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полез­ную энергию, передаваемую по сердцевине при значительных расстояниях и оказывают влияние на точность измерения затухания методом вносимого затухания.

Используя лучевой подход, рассмотрим распространение световых волн по во­локну, у которого показатель преломления сердцевины п₁ и оболочки п₂ не изменяется по сечению (ступенчатый профиль). Лучи света в рассматриваемом волокне распространяются по ломаным прямым линиям, испытывая полное внутреннее отражение в местах падения на границу раздела сердцевина-оболочка (рисунок 3.8). В зависимости от размеров источника излучения и его положения относительно оси волокон могут распространяться два типа лучей: меридиональные, распространяющиеся в плоскостях и пересекающие ось световода, и косые, не пересекающие ось световода и распространяющиеся по ломаным вправо или левовинтовым спиральным линиям (рисунок 4.9). Косые лучи быстро рас­сеиваются на изгибах оптического волокна и поэтому их можно не учитывать.

Рисунок 4.8 - Траектории меридиональных лучей в градиентном волокне

Рисунок 3.9 - Распространение лучей не пересекающих ось световода

Многомодовое волокно, с его относительно большой сердцевиной, допускает распространение по волокну нескольких или многих мод. Некоторые из этих мод могут распространяться в волокне на небольшие расстояния и потом исчезать; другие — могут распространяться на всю длину волокна. Характер многомодового распространения показан на рисунке 3.10. Основная проблема возникает тогда, когда эти моды достигают удаленного приемника. Рассмотрим импульс, прошедший по волокну некоторое расстояние. Этот импульс несет в себе световую энергию нескольких мод. Мода самого низкого порядка достигнет приемника быстрее всего. Остальные моды за счет задержки вносят свой вклад позднее. Прибывший импульс, составленный компонентов, распространяющихся дольше, приводит к уширению прибывшего вначале импульса, составленного из моды самого низкого порядка, как показано на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Идеализированный рисунок с импульсом источника света в прием­ном конусе отрезка многомодового световода (или ОВ), показываю­щий распространение трех световых мод. Мода самого низкого по­рядка имеет на рисунке всего два отражения, тогда как мода самого высокого порядка имеет семь отражений на том же самом отрезке световода. В результате энергия моды самого высокого порядка за­паздывает по сравнению с энергией моды самого низкого порядка

Суть проблемы в том, что каждый из этих импульсов, или его отсутствие, представляет двоичные 1 и 0. Пусть наличие импульса соответствует 1, а его отсутствие — 0. И пусть мы передаем последовательность вида 10. Расши­тый за счет дисперсии импульс двоичной 1 (как показано на рисунке 3.8 внизу справа) займет и соседнюю битовую позицию, которая исходно должна быть двоичным 0. Возникает типичная битовая ошибка. Это упрощенное описание показывает вредное влияние дисперсии, взывающей межсимвольную интерференцию.

В этих условиях, при возрастании скорости передачи, когда ширина импульса становится все меньше, а влияние дисперсии все более губительным, уровень ошибок BER (частота битовых ошибок) на линии передачи достигает таких значений, что стано­вится совершенно неприемлемым. Эта ситуация может быть сглажена или разрешена путем:

уменьшения длины передающей линии (сглаживание проблемы);

уменьшения скорости передачи (сглаживание или устранение проб­лемы);

использования одномодового волокна (устранение модовой дисперсии).

Оптические моды в волноводах. Для волноводов, сформированных в матрицах с неограниченными размерами, часто используются законы геометрической оптики для описания распространения инжектированного света. Такое описание, однако, становится недостаточно точным, когда происходят эффекты интерференции, и в особенности это актуально для очень малых размеров волновода. В этом случае требуется волновое описание распространения света – обычно это делают на основе уравнений Максвелла, часто упрощаемых с помощью приближений (аппроксимации).

Принято рассматривать распределение поля для данной оптической частоты и поляризацию в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Особый интерес представляют те распределения, которые не изменяются во время распространения, если не считать общего изменения фазы. Такие распределения поля связаны с так называемыми модами волновода. В качестве примера, на рисунке 3.9 показаны моды многомодового волокна. У каждой моды есть так называемая постоянная распространения, действительная часть которой определяет задержку фазы на единицу расстояния распространения. Волокно также имеет большое количество мод оболочки, которые не ограничены в окрестности сердцевины волокна.

Рисунок 3.11 – Амплитуда электрического поля для всех направляемых мод ОВ

Два цвета указывают на различные значения величины электрического поля. У моды самого низкого порядка (l=1, m=0, названный модой LP₀₁) есть профиль интенсивности, который подобен Гауссовскому лучу. Свет, запущенный в многомодовое волокно, будет возбуждать суперпозиции различных мод, которые могут иметь сложную форму.

Любое начальное распределение поля, которое может быть получено в начале волновода, можно разложить в линейную комбинацию распределений полей направляемых мод волновода плюс некоторая функция, которая не может быть выражена в виде таких комбинаций. Последняя часть соответствует свету, которым нельзя управлять. В зависимости от типа волновода ненаправляемый свет может распространяться в оболочке или может быть отражен. Распространение направляемых мод легко вычисляется с помощью линейной комбинации мод волновода с локальными коэффициентами расширения, вычисленными из констант распространения мод.

Некоторые типы волноводов (например, канальный волновод) имеют моды со строго асимметричными профилями интенсивности. Бывает и так, что направляемые моды существуют только для одного направления поляризации, или что моды для различных направлений поляризации имеют различные свойства.

Распространение света в волноводе существенно зависит от типа направляемой моды. Для различных мод различаются потери при распространении, чувствительность к изгибу (для волокон), постоянная распространения и хроматическая дисперсия.