- •Волоконно-оптические направляющие среды
- •1. Преимущества волоконно-оптических линий связи перед другими направляющими системами передачи
- •Контрольные вопросы
- •2. Структурная схема волоконно-оптической связи
- •Контрольные вопросы
- •3. Принцип действия световодов
- •Контрольные вопросы
- •4. Характеристики направляемых лучей
- •Контрольные вопросы
- •5. Типы световодов
- •Контрольные вопросы
- •6. Апертура оптического волокна
- •Контрольные вопросы
- •7. Планарный световод
- •Контрольные вопросы
- •8. Основное уравнение передачи по световоду
- •Контрольные вопросы
- •9. Типы волн в световодах. Критические длины и частоты
- •Контрольные вопросы
- •10. Затухание в волоконных световодах
- •Контрольные вопросы
- •12. Коэффициент фазы, волновое сопротивление и скорость распространения энергии по световоду
- •Контрольные вопросы
- •13. Поляризация в волоконных световодах
- •13.1. Виды поляризации
- •13.2. Деполяризация световой волны и поляризационная модовая дисперсия
- •Контрольные вопросы
- •14. Взаимные влияния в оптических кабелях
- •14.1. Природа взаимных влияний в оптических кабелях
- •14.2. Переходные помехи в световодах
- •14.3. Переходное затухание и защищенность от взаимных помех в оптических кабелях
- •14.4. Меры по уменьшению взаимного влияния между оптическими волокнами
- •Контрольные вопросы
- •15. Распространение сигналов по оптическому кабелю
- •15.1. Общие положения
- •15.2. Частотные и временные характеристики
- •15.3. Собственные и частные характеристики оптического кабеля
- •15.4. Диаграмма излучения и поглощения энергии в световоде
- •15.5. Искажения сигналов
- •15.6. Модуляционно-частотные характеристики и полоса пропускания волоконных световодов
- •Контрольные вопросы
- •16. Конструкция и материал оптических волокон
- •Контрольные вопросы
- •17. Производство оптических волокон
- •Контрольные вопросы
- •18. Соединение оптических волокон
- •18.1. Основные понятия и определения
- •18.3. Внешние потери
- •18.4. Соединение волокон
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Введение в специальность «Физика и техника оптической связи»
- •Список сокращений
- •1.1 Радиосвязь — основные этапы истории
- •1.2 Спектр электромагнитных волн
- •1.3 Этапы развития лазерной техники
- •1.4 История развития оптической связи
- •2.1 Информация, сообщения, сигналы
- •2.1.1 Основные единицы измерения в телекоммуникации
- •2.2 Виды и технологии систем связи
- •2.3 Стандартизация и метрология в телекоммуникации
- •2.4 Электрические кабели связи
- •3. Основы теории волоконно-оптической связи
- •3.1.1 Основные законы волоконной оптики
- •3.1.1 Основные законы волоконной оптики
- •.1.2 Конструкция ов
- •3.1.3 Методы изготовления ов
- •3.1.4 Классификация и характеристики ов
- •3.2.1 Классификация оптических кабелей
- •3.2.2 Основные компоненты волоконно-оптического кабеля
- •3.3.1 Оптические соединители
- •3.3.2 Оптические разветвители
- •3.4.1 Оптический передатчик
- •3.4.2 Оптический приемник
- •3.4.3 Оптические усилители и повторители
- •3.5 Измерение параметров волоконно-оптических систем
- •3.6 Строительство, монтаж и техническая эксплуатация волс
- •4.1 Развитие волоконно-оптических систем передачи
- •4.2 Проблемы увеличения пропускной способности восп
- •4.3 Оптические волокна в структурированной кабельной системе
- •4.4 Волоконно-оптические датчики
- •4.5 Технологии, использующие оптическое волокно
- •Рекомендации студенту - как сформировать свой профессиональный облик
- •Закон оптики
- •Принцип оптического волокна
- •Межмодовая дисперсия
- •Межчастотная дисперсия
- •Материальная дисперсия
- •Влияние дисперсии на пропускную способность канала
- •Многомодовое ступенчатое волокно
- •Многомодовое градиентное волокно
- •Одномодовое волокно
- •Затухание сигнала, окна прозрачности
- •Используемые длины волн
- •Теория оптического кабеля
- •Первый уровень защиты волокна
- •Волоконно-оптический кабель со свободным буфером
- •Волоконно-оптический кабель с плотным буфером
- •Выбор волоконно-оптического кабеля
- •Симплексный и дуплексный кабели
- •Многожильный кабель
- •Кабель для оконечной разводки
- •Пожаробезопасный кабель
- •Многожильный кабель для разводки по этажам
- •Гибридный кабель
- •Соединение оптических волокон
- •Источники и приемники оптического излучения
- •Светоизлучающие диоды
- •Суперлюминисцентные светодиоды
- •Лазерные диоды
- •Фотодиоды
- •Фототранзисторы
- •Лавинные фотодиоды
Контрольные вопросы
1. Чем обусловлены потери на поглощение в волоконном световоде?
2. Чем вызваны потери на рассеяние?
3. Объясните природу появления окон прозрачности в кварцевых оптических волокнах.
4. Назовите причины возникновения потерь на макроизгибы.
5. Объясните природу возникновения потерь на микроизгибы.
12. Коэффициент фазы, волновое сопротивление и скорость распространения энергии по световоду
Волновое сопротивление волоконного световода может быть представлено через компоненты электромагнитного поля, определение которых получается довольно сложным. В практических расчетах пользуются предельными значениями волнового сопротивления сердечника и оболочки для плоской волны.
При этом
,
где = 376,7 – волновое сопротивление идеальной среды; – относительная магнитная проницаемость, ; – относительная диэлектрическая проницаемость, .
В реальных условиях волновое сопротивление световода численно составляет 250–260 Ом. Частотные зависимости волнового сопротивления световода для основных волн приведены на рис. 31.
Рис. 31. Зависимость волнового сопротивления световода от частоты
В соответствии с основным уравнением передачи по волоконным световодам коэффициент фазы зависит от волнового числа среды и находится в пределах
,
где k2 = k0n2 – волновое число оболочки; k1 = k0n1 – волновое число сердечника.
Волновое число идеальной среды k0 рассчитывается по формулам:
,
где – угловая частота; – длина волны.
Частотная зависимость коэффициента фазы световода для основных волн приведена на рис. 32.
Рис. 32. Зависимость коэффициента фазы световода от частоты
В соответствии с основными положениями электродинамики в однородных средах плоская электромагнитная волна распространяется с фазовой скоростью vф и групповой скоростью vгр.
Фазовая скорость – это скорость изменения фазы поля. Она характеризует распределение фазы поля определенной волны.
Для определения фазовой скорости воспользуемся соотношением между продольными и поперечными коэффициентами для сердечника и оболочки. Поперечные волновые числа
.
Складывая эти выражения, получим
Коэффициент распространения
.
Фазовая скорость определяется формулой или, имея в виду, что и , получим . Подставляя сюда значения k2 и b, получим выражение для фазовой скорости
.
Расчет по этой формуле для волн различных типов связан со сложными вычислениями. Определим фазовую скорость при критической частоте. Как было показано выше, для критической частоты поперечный коэффициент g2 = 0. Тогда получим значение фазовой скорости . Таким образом, фазовая скорость при критической длине волны равна скорости распространения в оболочке световода.
С ростом частоты и соответственно уменьшением длины волны энергия все больше концентрируется в сердечнике световода, затухание растет, и скорость распространения определяется параметрами сердечника (mа1eа1). При очень высоких частотах скорость становится равной скорости распространения в сердечнике: . Эти же значения получаются непосредственно из поперечных коэффициентов:
.
Так как для передачи g1 и g2 должны быть действительными, то имеем
. Или, имея в виду выражения для фазовой скорости и для волнового числа , получим
.
Тогда окончательно имеем следующее соотношение между фазовой скоростью и скоростью распространения в сердечнике и оболочке световода:
.
Отсюда видно, что фазовая скорость меняется в пределах c/n1 и c/n2; при критической частоте (g2 = 0 и b = kn2) фазовая скорость равна скорости в оболочке c/n2; при очень высоких частотах вся энергия концентрируется в сердечнике и фазовая скорость равна скорости распространения в сердечнике c/n1. Как видно из рис. 33, с ростом частоты скорость распространения энергии уменьшается от скорости в оболочке к скорости в сердечнике световода.
Следует иметь в виду, что скорость распространения волны по световоду всегда меньше скорости света, т. е. поверхностная волна всегда имеет замедленный характер распространения. Замедление тем больше, чем сильней выражена поверхностная волна, поле которой быстро убывает в поперечном направлении.
Групповая скорость – это скорость движения целого спектра волн. В конечном итоге характеризует скорость распространения энергии вдоль световода.
Рис. 33. Зависимость фазовой скорости в световоде от частоты
Поскольку электромагнитная волна в световоде имеет зигзагообразное движение, то фазовая скорость определяется движением волны по этой зигзагообразной линии, а групповая скорость – эффективной скоростью движения волны вдоль оси световода. Поэтому . Групповая скорость распространения по световоду определяется выражением
.
На рис. 34 приведена частотная зависимость групповой скорости распространения в световоде.
Рис. 34. Зависимость групповой скорости в световоде от частоты
Симметричные волны типа Е01 и Н01 при отсечке имеют групповые скорости, равные c/n2. Вдали от отсечки для всех мод .