2.8. Характер распространения света в вс с различным профилем показателя преломления и дисперсия.

В простейшем случае оптический ВС имеет ступенчатый ППП (рисунок 2.8, а, справа).

а – в ступенчатом многомодовом ВС; б – в градиентном многомодовом ВС; в – в ступенчатом одномодовом ВС Рисунок 2.8 – Характер распространения света в ВС с различным профилем показателя преломления и дисперсия

Различное фазовое запаздывание (или дисперсия мод) является одной из причин расплывания импульса при его распространении по ВС (рисунок 2.8, а, слева). Влияние дисперсии мод резко выражено для многомодового ВС и тем резче, чем больше диаметр сердцевины.

Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя путями - изменением профиля показателя преломления (использованием градиентного ВС), уменьшением диаметра сердцевины d_c и подавлением мод высшего порядка.

В градиентном ВС показатель преломления плавно увеличивается от края сердцевины к середине (в зону максимума n₁, рисунок 2.8,б, справа). Условия распространения осевых и апертурных лучей становятся разными. Апертурные лучи имеют большую геометрическую длину, однако скорость апертурных лучей на периферии сердцевины больше, чем скорость осевого луча. За счёт выравнивания времени прохождения различных лучей в ВС происходит резкое снижение дисперсии моды (рисунок 2.8,б). Характеристики световодов, для которых профиль показателя преломления описывается функцией, аппроксимирующей кривую изменения показателя преломления описывается как:

где n₁=(n₁-n)/n₁ - относительный показатель преломления, r - текущий радиус, a - радиус сердцевины; g - показатель степени, определяющий изменение n(r). Световоды с g=2 называются параболическими (профиль показателя преломления описывается параболической функцией). У таких световодов скорости всех мод становятся одинаковыми. Для ОМ ОВ модовая дисперсия отсутствует (рисунок 2.8, в), поэтому в основном используется простой ступенчатый профиль изменения показателя преломления (рисунок 2.8, в, справа). Другие типы одномодового ВС имеют более сложный профиль показателя преломления ввиду использования многослойных оболочек.

2.9. Материальная дисперсия. Скорости распространения света разной длины волны.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны:

Волны различной длины движутся с различными скоростями по ВС, даже в одной и той же моде. Показатель преломления равен:

где c– скорость света в вакууме, υ– скорость света в веществе. Величина скорости υ в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Значит, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, т.к. зависит от физических свойств вещества волокна. Материальная дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный характер. Уровень материальной дисперсии зависит от диапазона длин волн света, вводимого в волокно (1) и центральной рабочей длины волны источника (2).

1. Обычно, источник излучает не одну длину волны, а спектр волн. Диапазон длин волн Δλ - спектральная ширина источника. Светоизлучающий диод (СИД) характеризуется большей спектральной шириной (Δλ≈35нм), а лазерный диод (ЛД) – меньшей (2…3нм - многомодовый и 0,01…0,02нм – одномодовый). 2. В области 850нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее, чем более короткие (более синие). Длина стрелок - скорость волн, значит, более длинная стрелка = более быстрое движение.

Рисунок 2.9 – Скорости распространения света разной длины волны

В области 1550нм более короткие волны движутся быстрее, чем более длинные, а волна длиной 1550нм движется медленнее волны длиной 1540нм. В области 1300нм происходит совпадение, и более синие и более красные волны движутся одинаково быстро.