Оптические характеристики

К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:

- коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки

Коэффициент преломления является одной из основных физических характеристик оптических сред и равен корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости среды для электромагнитных волн оптического диапазона. Естественно, показатель преломления зависит от химического состава вещества и имеет различное значение для разных длин волн распространяющегося света. Так для чистого кристаллического кварца в диапазоне длин волн 185 - 3000 нм показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей меняется от 1.676 до 1.499 и от 1.689 до 1.507 соответственно.

В ОВ применяется плавленый кварц, а необходимый показатель преломления достигается путем легирования кварца. Типичные значения показателя преломления лежат в диапазоне 1.46 - 1.47. При этом отличие показателя преломления сердцевины от показателя преломления оболочки составляет порядка 1% для многомодовых ОВ и менее 0.4% для одномодовых.

- разность показателей преломления

Разность показателей преломления сердцевины n₁ и оболочки n₂ имеет типовое значение порядка 0.01 для МОВ, менее 0.004 для ООВ, обозначается D_n и вычисляется по формуле:

D_n = n₁ - n₂

где n₁ - максимум показателя преломления сердцевины ОВ,
n₂ - показатель преломления оболочки

- относительная разность показателей преломления

Под относительной разностью показателей преломления D понимают величину, равную отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины:

- групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления

Аналогично для световода эффективный групповой показатель преломления вводится как коэффициент, показывающий во сколько раз скорость распространения импульсных сигналов по световоду меньше скорости света в вакууме. При этом групповая скорость для m-й моды ОВ вычисляется как производная угловой частоты света по постоянной распространения m-й моды:

,

где w - угловая частота света, b_m - постоянная распространения m-й моды.

- профиль показателя преломления

Первые (многомодовые) ОВ изготавливались с Профилем Показателя Преломления (ППП) в виде ступенчатой функции, показанной на рисунке 5.2а). Следующим шагом в развитии технологии производства световодов было изготовление ОВ с градиентным ППП (рисунок 5.2б)), обладающих существенно меньшей межмодовой дисперсией и, как следствие, более чем на порядок увеличенной полосой пропускания (десятки МГц/км для ступенчатых МОВ и порядка одного ГГц/км для градиентных МОВ). В градиентных МОВ, также как и в ступенчатых, диаметр сердцевины составляет 50 мкм, однако, показатель преломления изменяется плавно, по закону, близкому к параболическому. Как было показано в многочисленных исследованиях, именно такой ППП обеспечивает минимальное дисперсионное искажение сигнала.

Среди одномодовых ОВ можно выделить волокна с несмещенной и со смещенной дисперсией, для которых ППП существенно отличается – рисунок 5.2в и рисунок 5.2г соответственно.

Рисунок 5.2 - Профиль показателя преломления МОВ (а), б)) и ООВ (в), г))

- диаметр модового поля (для ООВ)

Диаметр модового поля. Радиальная зависимость амплитуды поля фундаментальной моды HE₁₁ (LP₀₁) одномодового ОВ носит плавно спадающий характер и близка к гауссовому закону (рисунок 5.3б)). Под диаметром модового поля понимают удвоенное расстояние между точкой на сечении ОВ, в которой амплитуда поля моды максимальна и точкой, в которой амплитуда поля моды меньше максимального значения в е (е = 2.718) раз.

Рисунок 5.3 - Распределение интенсивности по сечению а) и радиальное распределение поля E б) для мод LP₀₁ и LP₁₁; в) - срез ОВ (соотношение диаметра сердцевины и оболочки не соблюдено)

Погрешность концентричности модового поля определяется как расстояние (на сечении ОВ) между центром модового поля и центром окружности сечения внешней поверхности оболочки ОВ. Погрешность концентричности модового поля измеряется в абсолютных величинах и не должна превышать 1 мкм.

Диаметр модового пятна (w) является одной из важнейших характеристик одномодовых ОВ, поскольку определяет согласование волокон между собой, величины изгибных и микроизгибных потерь и т.д. Диаметр модового пятна отличается от диаметра сердцевины в ОВ, причем это отличие увеличивается с уменьшением величины нормализованной частоты, и для одномодовых световодов со ступенчатым профилем ПП записывается согласно формуле. С ростом длины волны (соответственно, с уменьшением V) диаметр модового пятна также растет, а наименьшее его значение находится вблизи длины волны отсечки высшей моды (λ_с). Существует несколько методов измерения диаметра модового пятна, остановимся на 2-х из них, рекомендованных Международным стандартом.

Метод поперечного сдвига заключается в том, что свет вводят в состыкованных между собой волокна, а затем торец второго волокна начинают перемещать относительно выходного торца первого волокна, (т.е. его сканировать), снимая при этом показания интенсивности света на выходе второго волокна. Диаметр модового пятна определяют по уровню 1/е²»0,135 радиального распределения интенсивности света. Второй метод, принятый американским бюро стандартов TIA, основан на диафрагмировании картины дальнего поля таким образом, чтобы интегральная интенсивность света в диафрагмированной области составляла 1-0,135 = 0,865 от общей интенсивности света на картине дальнего поля. Диаметр модового пятна рассчитывают используя отношение диаметров отверстий диафрагмы, позволяющей получать оба эти случая.

- числовая апертура, длина волны среза (для ООВ)

Числовая апертура. Для многомодовых волокон числовая апертура NA определяется как синус наибольшего угла Jm меридианного луча, который может направляться волокном:

NA = sin Jm

Здесь Jm - угол в свободном пространстве относительно оси ОВ, т.е. угол ввода оптического излучения в ОВ. Меридианный луч - луч, лежащий в плоскости оси ОВ. Числовая апертура может быть рассчитана через показатели преломления сердцевины n₁ и оболочки n₂:

Как отмечалось ранее, в одномодовом волокне распространяется только одна мода на рабочей длине волны. В этой категории ОВ мы имеем следующие типы: стандартное одномодовое волокно, волокно со сдви­гом нулевой дисперсии и волокно с малой ненулевой дисперсией. Они за­висят от конструкции волокна. При тестировании этих типов волокон, нуж­но помнить, что источник света (лазерный диод или СИД) не является строго монохроматичным, а его выходное излучение покрывает определенную по­лосу длин волн. В результате того, что время распространения спектральных компонент различно, происходит уширение импульсов. Степень такого уширения пропорциональна спектральной ширине используемого источника. Близкие к монохроматическим (использующие одну продольную моду) ла­зерные источники (SLM-лазеры), как правило, это лазеры с распределенной обратной связью, допускают нормальную работу с одномодовым волокном на длинах волн, которые отстоят от длины волны нулевой дисперсии даль­ше, чем это позволяют делать лазеры, использующие несколько продольных мод (MLM-лазеры).

Стандарты EIA/TIA — классифицируют одномодовые волокна в соответ­ствии с их дисперсионными характеристиками. Существуют одномодовые волокна без сдвига нуля, которые имеют длину волны нулевой дисперсии в районе 1310 нм (эти волокна обычно называют стандартными одномодовыми волокнами). Эти волокна по классификации EIA/TIA соответствуют классу IVa. Существуют также два типа волокна со сдвигом дисперсии. Один — со сдвигом нуля дисперсии в область 1550 нм (эти волокна обычно называют одномодовыми волокнами со сдвигом дисперсии), который классифициру­ется EIA/TIA как волокно класса IVb. Другой — с ненулевой смещенной дисперсией, имеет ненулевую (но небольшую по величине) дисперсию в определенной области в окне прозрачности 1550 нм. Это волокно класси­фицируется как волокно класса IVd.

В диапазоне 1550 нм затухание волокна может быть значительно ниже, чем в районе 1310 нм для любого типа волокон. Однако дисперсия волокон, спроектированных со сдвигом дисперсии, на длине волны 1310 нм может быть существенно выше, чем дисперсия на той же длине волны, но у волокон без сдвига дисперсии.