Опт устр в РТ / ВОЛС / 3_Многомодовые и одномодовые оптические волокна

Многомодовые и одномодовые оптические волокна

Профиль показателя (индекса) преломления: ступенчатый и градиентный.

- многомодовый ступенчатый индекс;

- одномодовый ступенчатый индекс;

- многомодовый градиентный индекс.

Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем.

r – текущий радиус,

R – радиус сердцевины.

Для градиентных ОВ вводится понятие локальной числовой апертуры, равной

Для градиентного ОВ с параболическим ППП

NA волокна указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Типовые значения NA 0,2…0,27.

Волноводная (нормированная) частота – объединенный параметр ОВ, определяющий число мод

,

где  - длина волны в вакууме. Важнейший параметр ОВ, связывающий  с его структурными параметрами.

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.

Число мод N (при V >> 2,405):

При уменьшении V все большая часть энергии распространяется в оболочке. В градиентных ОВ с параболическим ППП N = V²/4.

В одномодовых ОВ энергия распространяется и в оболочке. Поэтому размер поля моды d_мод > 2r.

Минимальная длина волны, при которой в ОВ существует только одна мода, называется длиной волны отсечки (критической):

Меридианные и косые световые лучи.

Меридиональные лучи расположены в плоскости, проходящей через ось волоконного световода. Косые лучи не пересекают ось световода.

Меридиональным лучам соответствуют симметричные электрические Е_0m и магнитныеH_0m волны, косым лучам - несимметричные гибридные EН_nm и HЕ_nm волны.

Для меридианных:

1) длина пути L_p, между двумя последовательными отражениями:

L_p = 2R / Sin φ;

2) оптическая длина пути L₀ :

L₀ = n₁L_P =2R n₁ / Sin φ ;

3) полупериод траектории луча L_h:

L_h = 2R / tg φ = L_p Cos φ;

4) число отражений N на единицу среды распространения:

N = 1 / L_h = tg φ / 2R .

В точке на расстоянии L от начала волновода со ступенчатым ППП

ВИДЫ ДИСПЕРСИИ

Осевой луч будет проходить расстояние L за время t_o = n₁ L / c, а наиболее наклонный луч то же самое расстояние пройдёт за время:

На выходе волокна эти лучи будут разделены во времени:

Уширение светового импульса, содержащего лучи под всеми возможными углами: . Это межмодовая временная дисперсия ОВ.

Примечание: n = n₁-n₂ – абсолютная разность ПП,  - относительная

Дисперсия	Причина дисперсии	Многомодовые ОВ		Одномо-довые (∆F=1÷10Ггц)
		Ступенчатое (∆F=10÷100Мгц)	Градиентное (∆F=100÷1000Мгц)
Волноводная,	Коэффициент распространения зависит от частоты	Малое значение дисперсии	Малое значение дисперсии	Взаимная компенса-ция
Материальная (Молекулярная),	Коэффициент преломления зависит от частоты	(2-5) нс/км	(0,1-0,3) нс/км
Межмодовая,	Разные моды приходят к концу линии в разное время	(20-50) нс/км	(1-4) нс/км	Отсутству-ет
Поляризаци-онная,	Различная ско-рость распро-странения двух взаимно-пер-пендикулярных составляющих моды	Не проявляется		≤0,5 нс/

Ступенчатое одномодовое ОВ: =1,3 мкм

Зависимости:

Материальная от легирования (GeO₂),

Волноводная от легирования и от  и r.

ОВ со смещенной дисперсией:

 r с 5,5 до 1,8 мкм нулевая дисперсия смещается с 1,3 на 1,75 мкм

Специальный профиль смещает нуль дисперсии без увеличения потерь

Затухание

Коэффициент затухания 

 = _с + _k

_c – собственные потери, дБ/км;

_k – кабельные потери, дБ/км.

α_р - составляющая α за счет рассеяния,

α_n - составляющая α за счет поглощения.

.

где α_пм - поглощение в материале;

α_ик - инфракрасное поглощение;

α_пр - поглощение на примесях.

Доминируют потери на рассеяние:

2,5 дБ при λ= 820 нм;

0,24 дБ при λ= 1300 нм;

0,012 дБ при λ= 1550 нм.

Релеевское рассеяние

R

Потери на изгибах

Защитное покрытие

Сердечник и оболочка

Микроизгибы

Потери на микроизгибах для ММОВ: _micro = ka⁴b^-6^-3;

Для ОМОВ:

где - радиус поля моды.

Упрощенные формулы для оценки затухания в ОВ:

, дБ/км,

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь сердцевины ОВ, при расчете принимается tgδ = 10^-10;

, дБ/км.

К_р – коэффициент рассеяния, для кварца К_р=1,5 мкм⁴.

ОВ с пониженным водяным пиком (LPW – low water peak) или, как их еще называют, волокна с нулевым водяным пиком (ZWP –zero water peak). К волокнам этой группы относятся волокна AllWave (OFS) и SMF-28e (Corning). Потери для таких волокон на «водяном» пике уменьшены до 0,31 дБ/км, что меньше чем на длине волны 1310 нм (0,35 дБ/км).

Выделяют шесть спектральных диапазонов:

Условное обозначение	Наименование	Диапазон, нм
O	Основной (original)	1260–1360
E	Расширенный (expanded)	1360–1460
S	Коротковолновый (short )	1460–1530
C	Стандартный (conventional)	1530–1565
L	Длинноволновый (long)	1565–1625
U	Сверх-длинноволновый (ultra-long)	1625–1675

Сегодня на местных сетях в основном работают в диапазоне O, а на магистральных в диапазонах C и L, где можно использовать оптические усилители на легированных эрбием волокнах EDFA (erbium doped fiber amplifier).

Спектральные характеристики затухания и дисперсии стандартного одномодового ОВ

Полоса пропускания

f = c/; df/d = -c/²; F = c/₀².

Многомодовое волокно (ММВ): F = 0,44 /  (на длине 1 км)

В одномодовых волокнах (ОМВ) дисперсия выражается в пс на км и на нанометр спектральной ширины источника (). Приблизительная оценка полосы пропускания:

.

где  - дисперсия на рабочей  в сек на нанометр и на км,

- ширина спектра источника в нм,

L – длина волокна в км

Физический смысл F – максимальная частота сигнала при L= 1 км

Полоса частот ∆F и дальность передачи взаимосвязаны:

Информационная емкость FL = const

Для ММВ FL = 1601000 МГцкм, для ОМВ – до 1000 ТГцкм

Дальность лимитируется:

у многомодовых – дисперсией,

у одномодовых и градиентных – затуханием.

Критическая частота f_кр:

При очень высоких частотах вся энергия концентрируется внутри сердечника. При уменьшении частоты она перераспределяется и переходит в окружающее пространство. При критической частоте (частоте отсечки) f_кр поле не распространяется вдоль ОВ, ее энергия рассеивается в окружающем пространстве.

, g₂ = 0,

где: g₁ – поперечное волновое число для сердечника,

g₂ – поперечное волновое число для оболочки,

, k₁ – волновое число для сердечника,

 - коэффициент фазы (мнимая часть коэф-та распространения)

Критическая длина волны λ_кр:

.

Диаметр сердечника одноволнового световода:

Обычно Тогда

P_nm = 2,405 – корень функции Бесселя при n = 0, m = 1.