- •Содержание
- •1. Геометрические и оптические параметры оптических волокон
- •Геометрические параметры
- •Оптические параметры
- •1.2.1. Относительная разность показателей преломления
- •1.2.2. Числовая апертура
- •1.2.3. Нормированная частота
- •1.2.4. Число распространяющихся мод
- •1.2.5. Диаметр модового поля
- •1.2.6. Длина волны отсечки
- •2. Передаточные характеристики оптических волокон
- •2.1. Оптические потери в волокне
- •2.2. Потери на стыках оптических волокон
- •2.3. Дисперсия импульсов
- •2.3.1. Причины и виды дисперсии
- •2.3.2. Показатель преломления материала
- •2.3.3. Материальная дисперсия
- •2.3.4. Межмодовая дисперсия
- •2.3.5. Совместное влияние межмодовой и материальной дисперсий
- •2.3.6. Дисперсия в ступенчатых одномодовых волокнах
- •2.3.7. Поляризационная дисперсия
- •2.4. Ширина полосы пропускания
- •3. Характеристики современных оптических волокон
- •3.1. Многомодовые градиентные оптические волокна
- •3.2. Одномодовые волокна
- •3.2.1. Стандартные оов с несмещенной дисперсией
- •3.2.2. Оов со смещенной нулевой дисперсией
- •3.2.3. Оов со смещенной ненулевой дисперсией
- •4. Измерение передаточных характеристик ов
- •4.1. Методы измерения затухания
- •4.2. Метод обрыва
- •4.3. Измерение вносимых потерь
- •4.4. Метод обратного рассеяния
- •4.5. Измерение полосы пропускания и дисперсии оптических волокон
- •4.6. Измерение параметров формы оптических импульсов
- •Литература
Оптические параметры
Основные оптические параметры ОВ:
относительная разность показателей преломления - ∆,
числовая апертура - NA,
нормированная частота - ν,
число распространяющихся мод - М,
диаметр модового поля – Dмп,
длина волны отсечки (критическая длина волны) - λот.
1.2.1. Относительная разность показателей преломления
Относительная разность показателей преломления (ПП) характеризуется соотношением показателей преломления сердцевины – n1 и оболочки – n2 и определяется выражением
(1.3)
Для большинства ОВ = 10 -2 – 10-3.
1.2.2. Числовая апертура
Числовая апертура (NA) является одной из основных характеристик, определяющих условия ввода оптических сигналов и процесс их распространения вОВ.
Для ознакомления с понятием числовой апертуры рассмотрим процесс распространения меридиональных лучей, падающих из свободного пространства с показателем преломления п0 на входной торец ОВ со ступенчатым профилем изменения показателя преломления и распространяющихся затем по его сердцевине.
Как видно из рис. 1.3, луч, падающий из свободного пространства под углом 9 к оси ОВ, преломляется на входном торце и входит в сердцевину под углом 0|, а затем падает на границу раздела сердцевина-оболочка под углом
Если φ ≥ φкр, этот луч распространяется вдоль сердцевины, многократно претерпевая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Если же луч, падающий на входной торец волокна, после преломления падает на границу раздела сердцевина-оболочка под углом φ < φкр, то он переходит из сердцевины в оболочку.
Рис. 1.3. Ход лучей в оптическом волокне
Таким образом, значению φ = φкр соответствует максимальный угол ввода θmax, при котором световой луч еще распространяется в сердцевине. Угол θmax, в рад. или град, определяется величиной
(1.4)
называемой числовой апертурой и характеризующей эффективность ввода светового излучения в ОВ.
Как видно, числовая апертура численно равна синусу половины угла при вершине конического пучка лучей, которые захватываются и направляются ОВ, следовательно, по закону Снеллиуса
(1.5)
где п0 - показатель преломления окружающей ОВ среды;
θmax - максимальный угол падения луча на входной торец ОВ.
Подставляя в (1.5) получаем выражение для числовой апертуры: (1.6)
Из (1.6) видно, что с увеличением разности показателей преломления сердцевины и оболочки возрастает значение числовой апертуры NA, что улучшает эффективность ввода излучения источника в ОВ. Например, при п1 - 1,51 и п2 = 1,13 все меридиональные лучи, падающие из воздуха (п0 = 1), входят в сердцевину (NA=1, θmax=π/2). Однако большое значение числовой апертуры NA приводит к увеличению дисперсии импульсов и другим нежелательным явлениям в ОВ, поэтому для ступенчатых ОВ, используемых в системах связи, числовая апертура обычно составляет 0,15-0.25.
Выражение (1.6) учитывает только меридиональные лучи. В реальных условиях лишь определенная часть пучка световых лучей источника преобразуется в меридиональные лучи. В основном же в ОВ преобладают косые лучи, закон распространения которых значительно сложнее, чем меридиональных, поэтому вывести простое выражение для числовой апертуры косых лучей не удается. Отметим лишь то, что числовая апертура, рассчитанная по (1.6) для меридиональных лучей ступенчатого ОВ, меньше значения действительной числовой апертуры, учитывающей все световые лучи.
Выражение для числовой апертуры ОВ с градиентным профилем показателя преломления по аналогии с (1.6) записывается так:
, (1.7)
Из (1.7) видно, что максимальный угол падения меридионального луча из свободного пространства на входной торец градиентного ОВ, при котором он удерживается сердцевиной, зависит от того, в какой точке сердцевины находится этот луч. Вблизи границы с оболочкой числовая апертура стремится к нулю, а на оси ОВ достигает максимального значения. В связи с этим для оценки эффективности ввода оптического излучения в градиентное ОВ вводится понятие эффективной числовой апертуры NAэфф.
Для ОВ с параболическим профилем показателя преломления
(1.8)
где п1 - максимальное значение показателя преломления сердцевины ОВ;
п2 - значение показателя преломления оболочки.
Определение числовой апертуры косых лучей градиентных ОВ представляет собой еще более сложную задачу, чем в случае ступенчатых.