2.5.1. Геометрические и оптические параметры оптических волокон
Основными геометрическими параметрами ОВ являются: диаметр сердцевины; диаметр оболочки; диаметр защитного покрытия; некруглость (эллиптичность) сердцевины; некруглость оболочки; неконцентричность сердцевины и оболочки.
Некруглость сердцевины ОВ определяется как разность максимального и минимального диаметров сердцевины, деленная на номинальный диаметр сердцевины, и определяется только в многомодовых волокнах, некруглость оболочки — в многомодовых и одномодовых волокнах. Некруглость сердцевины ОВ (рис 2.25 а) определяется из выражения:
(2.64) где Нс — некруглость сердцевины, %; dмакс, dмин — наибольший и наименьший диаметр сердцевины, мкм, соответственно; dн — номинальный диаметр сердцевины, мкм.
Некруглость оболочки ОВ определяется аналогично.
Неконцентричность сердцевины относительно оболочки определяется как расстояние между центрами оболочки и сердцевины ОВ (рис. 2.25 б) и определяется из выражения:
(2.65)
где Нс/о — неконцентричность сердцевины относительно оболочки, мкм; Цс — координаты центра сердцевины, мкм; Цо — координата центра оболочки, мкм.
Геометрические параметры стандартизированы для разных типов ОВ [9, 10, 11, 12, 13].
Поэтому остановимся более подробно на оптических параметрах ОВ.
Основными оптическими параметрами волокна являются:
• относительная разность показателей преломления (Δ);
• числовая апертура(NА);
• нормированная частота (v);
• число распространяющихся мод (М);
• диаметр модового поля (dмп);
• длина волны отсечки (критическая длина волны λкр).
Относительная разность показателей преломления. Относительная разность ПП сердцевины и оболочки ОВ определяется выражением (2.12).
|
|
Числовая апертура. Одной из основных характеристик, определяющих условия ввода оптических сигналов и процессы их распространения в ОВ, является числовая апертура, определяемая для:
• оптических волокон со ступенчатым ППП
(2.66)
• оптического волокна с градиентным профилем ППП
(2.67)
В градиентных ОВ используется понятие локальной числовой апертуры. Ее значение
максимально на оси волокна и равно 0 на границе раздела сердцевина — оболочка.
Нормированная частота. Этот параметр, определяющий число мод, равен:
(2.68)
где λ — длина волны, мкм.
Если 0< v< 2,405, то режим работы волокна одномодовый, если v >2,405 — многомодовый. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и тем меньшее расширение получают оптические импульсы. Соответственно увеличивается коэффициент широкополосности ОВ. Таким образом, одномодовое (ООВ) может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое (МОВ).
Число мод в многомодовом оптическом волокне. Общее число мод в МОВ с диаметром сердцевины 2 а, заданной числовой апертурой на рабочей длине волны λ определяется через нормированную частоту выражением вида:
(2.69)
В расчетах М может оказаться дробным числом, в то время как число мод в волокне бывает только целым и составляет от одной до тысячи мод. В волокне с градиентным ППП и теми же значениями диаметра сердцевины, показателей преломления п1 и п2 число мод примерно в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым ППП. Количество мод (с учетом всех вырожденных мод) в случае ступенчатого ППП (2.2) определяется выражением вида:
|
|
(2.70)
где u — показатель степени, описывающий изменения ППП.
Диаметр модового поля в ООВ. Важным интегральным параметром ООВ является диаметр модового поля. Этот параметр используется при анализе одномодовых волокон.
В многомодовых ОВ размер сердцевины принято оценивать диаметром (2 а), в одномодовых волокнах — с помощью диаметра модового поля (dМП). Это связано с тем, что энергия основной моды в ООВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее приграничную область. Поэтому dМП более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды. Величина dМП является важной при стыковке волокон между собой, а также при стыковке источника излучения с волокном.
В [14] показана зависимость распределения интенсивности (мощности) излучения основной моды одномодового волокна в ближней зоне от радиуса (рис.2.26). Эта зависимость аппроксимируется с достаточной степенью точности формулой Гаусса:
(2.71)
где J(r) — интенсивность излучения на расстоянии r от оси ООВ; J0 — интенсивность излучения на оси ООВ (при r =O); Wo — радиус модового поля, т. е. значение радиуса, при котором интенсивность излучения составляет 1/ е 2 = 0,35 J0.
Согласно [6, 15] радиус поля моды Wo в микрометрах определяется при известных значениях v и а = dc /2 из соотношения
или
(2.72)
Тогда искомое значение диаметра модового поля равно dМП =2 W0.
Длина волны отсечки в ООВ. Минимальная длина волны, при которой ОВ поддерживает только одну распространяющуюся моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для ООВ. Если λкр меньше, чем длина волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света.
|
|
Согласно [10] различают длину волны отсечки в волокне λс и длину волны отсечки в волокне λс и длину волны отсечки в проложенном кабеле λ сс. Первая (λс) соответствует слабо напряженному волокну и для ступенчатого ООВ она определяется выражением вида:
(2.73)
Длина отсечки в проложенном кабеле λсс соответствует напряженному ОВ. На практике ОВ в проложенном или подвешенном на опорах кабеле имеет большое число изгибов. Кроме того, сильные искривления имеются в ОВ, уложенных в кассеты муфт и промежуточных соединителях на объектах связи (сплайс-боксах). Все это ведет к подавлению побочных мод и сдвигу λсс в сторону коротких длин волн в сравнении с λс. Разницу между λсс и λс можно оценить только экспериментальным путем.