Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [ 23 ] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

Теоретически межмодовая дисперсия АГ = Ап/с ограничивает полосу пропускания и информационную пропускную способность волокна значениями 2(A/)ei » В » 1/АГ « l/x » с/1Ап. На практике значения этих величин выше.

В градиентном волокне многолучевую дисперсию можно уменьшить до Tj = 1 нс/км и менее. Этот вид дисперсии полностью отсутствует в одномодовых волокнах.

Материальная дисперсия (Xj ) минимальна на частотах, где наблюдается наименьшее фундаментальное затухание. Она может быJ изменена с помощью легирующих примесей, используемых для и.ч-менения показателя преломления. Значение материальной дисперсии определяется соотношением

где Y = АЯ/Я,, а У„ = кЧп1(й?. Для кварца У„ = О на длине волны X, = 1,276 мкм. Следовательно, его материальная дисперсия будет равна

(т/О = - (yV8c) Р d» n/dlK

Межмодовая дисперсия оказывается преобладающей в полной дисперсии, равной X = (xf + Xj) для ступенчатых волокон, а также в градиентных при их возбуждении лазерным излучением. Однако при возбуждении градиентных волокон с помощью светодиодов преобладающей становится материальная дисперсия (за исключением области около дисперсконного минимума, см. табл. 2.1).

Импульсная характеристика волокна, оцениваемая значением своей среднеквадратической длительности, оказывается связанной с его информационной пропускной способностью, а именно: В = 1/4 а.

Передаточная характеристика волокна может быть найдена как преобразование Фурье импульсного отклика (и наоборот). Как электрическая (А/)ег, так и оптическая (А/)опт полосы пропускания волокна могут быть определены по его электрической частотной характеристике соответственно по уровням - 3 и - 6 дБ.

3. ПОТЕРИ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ 3.1. МЕХАНИЗМ ПОТЕРЬ

3.1.1. Общие сведения

Материал, пригодный для изготовления оптического волокна, должен иметь высокую прозрачность для электромагнитного излучения в области 1 мкм. Поэтому ниже будут рассмотрены некоторые физические эффекты, которые вызывают потери света в диапазоне длин волн 0,5 ... 2,0 мкм.

Напомним, что в своем первоначальном предложении в 1966 г. Као и Хо-кэм полагали, что для практического использования оптических волокон в ли-



ииях связи иа большие расстояния необходимо, чтобы общие потери в волокне были порядка 20 дБ/км. К 1980 г. достигнуты рекордно низкие потери порядка 0,2 дБ/км, полученные в лабораторных условиях иа волокне без сростков. Это достижение стало возможным благодаря пониманию основных причин, вызывающих потери света в волокне, и их устранению, а также высококачественному контролю исходных материалов, используемых для изготовления оптических волокон.

В основном, потери света в волокне обусловлены двумя причинами: *

поглощением, которое определяется свойствами материала и рабочей длиной волиы. Оио имеет место при возбуждении в материале электронных переходов и резоиаисов с последующими иеизлучательиымн релаксационными процессами, которые были описаны в § 2.2.1. В результате того увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в материале;

рассеянием, которое частично может обусловливаться свойствами материа-ла, ио в основном определяется нарушениями геометрической формы оптического волокна. Оио происходит тогда, когда мода распространения света изменяется таким образом, что часть оптической энергии покидает волокио. При этом ие наблюдается никаких преобразований энергия излучения в другие виды энергии.

В настоящее время почти все оптические волокна изготавливают из высококачественных кварцевых стекол, легированных различными окислами, например бора, титана, германия или пятиокисью фосфора. На этих материалах и будет сосредоточено внимание при рассмотрении основных причин поглощения и рассеяния света в волокне. Необходимо, однако, отметить, что было предложено много других материалов для изготовления оптических волокон и целый ряд из иих прошел экспериментальную проверку. Например, до того, как было устаиовлеио, что оптические волокна можно делать из многокомпонентных стекол, успешно изготавливались волокна, имеющие жидкую сердцевину, окруженную стеклянной оболочкой (в качестве жидкости использовался тетрахлорэтилеи, разумеется, ие содержащий пузырьков воздуха). Ряд исследователей экспериментировал с волокнами из натриевых и кальциевых силикатных стекол, имеющих очень низкие точки плавления (около 1100° С) и очень легко обрабатываемых. Другие использовали свинцовые силикатные стекла, которые обеспечивали получение больших значений разности показателей преломления. Некоторые теоретические предположения заставляли использовать стекла иа основе сульфидов, селеиидов и оксидов и даже моиокристалических материалов для оптических волокон, работающих иа более длинных волнах. Однако маловероятно, что когда-либо монокристаллы будут обладать механическими свойствами, необходимыми для практических оптических волокон, а все другие материалы далеки от практического использования в световодах. Группа прозрачных материалов, которая представляет интерес - это полимеры. Оии будут отдельно рассмотрены в § 3.4.

Потери в волокне зависят ие только от качества материала сердцевины. Значительную роль играет также и материал оболочки. При полном внутреннем отражении Электромагнитные волны проникают через раздел сердцевина - оболочка и распространяются в оболочке. Таким образом, небольшая доля всей оптической мощности распространяется в оболочке. И если оболочка имеет плохое качество или большое поглощение, то она будет вносить заметный вклад в общие потери в волокне. Поэтому при изготовлении оптических волокон с минимальными потерями для оболочки используют такие же высококачественные и тщательно очищенные материалы, как и для сердцевины. При этом необходимо обеспечить, чтобы рассеянный оболочкой свет не распространялся в волокне и ие дохо-дил до фотодетектора, поскольку это может увеличить разницу в скоростях рас-простраиеиня различных мод и тем самым увеличить дисперсию волокна. Избежать этого можно двумя способами: сделать наружные слои оболочки поглощающими, чтобы рассеянные лучи ими ослаблялись, а распространяющийся в сердцевине свет ие испытывал никакого влияния со стороны оболочки; окружить саму оболочку защитным слоем полимера с более высоким показателем преломления, в котором рассеянные лучи света будут поглощаться в процессе распростра-иеиия.



3.1.2. Псглощеиие

Как было уже показано в § 2.2.1, ответственные за днсперснонные свойства диэлектрического материала электронные и атомные резонансы вызывают также поглощение в окрестности резонансных частот. Для интересующих нас материалов это резонансы в ультрафиолетовой области спектра, связанные с электронными структурами атомов кристаллической решетки, и резонансы в инфракрасной области, обусловленные колебаниями самих атомов в решетке. Хотя эти резонансы и лежат весьма далеко от тех оптических частот, которые мы хотим использовать, однако они вызывают столь сильное поглощение, что хвосты нх полос поглощения захватывают эту область при очень малом уровне потерь. На рнс. 3.1 приведена оценка потерь, создаваемых краями полос по1-лощения в кварцевом волокне, легированном германием.

Окно между краями ультрафиолетовой и инфракрасной полос поглощения должно составлять 1,5 мкм, однако оно уменьшается до 0,3 мкм, поскольку над ультрафиолетовым поглощением начинает преобладать другой фундаментальный механизм потерь, а именно - рэле-евское рассеяние, которое будет рассмотрено в следующем параграфе.

Влияние края инфракрасной полосы поглощения становится значительным ьа длинах волн свыше 1,5 мкм. Создаваемые им потерн обусловлены наличием характерных периодов колебаний в межатомных связях окислов, соответствующих следующим фундаментальным частотам: Si = О 9,0 мкм, Ge -0 11,0 мкм, Р -08,0 мкм. В - - О 7,3 мкм. С этой точки зрения германий должен быть самой благоприятной примесью из-за более длинной длины волны, соответствующей период/ колебаний связи Ge- О. Это подтверждается результатами измерений, представленными на рнс. 3.2. Приведенные на нем кривые показывают, что край инфракрасной полосы поглощения действительно сдвигается в сторону более коротких волн при использовании в качесте легирующих примесей PjOg и В2О3. Хотя этот сдвиг оказывает малое влияние на уровень потерь на длине волны 0,85 мкм, однако он исключает использо-

Длина волны, мкм 0,5 1,0 2,0 5,0

ванне этих примесей при разработке оптических волокон, предназначенных для работы на более длинных волнах.

Следует отметить, что значе- ние 9,0 мкм резонансной длины волны для Si - О не согласуется со значением 9,9 мкм, использованном в уравнении Селмейера для дисперсии кварца (2.2.32). Это можно объяснить двумя причинами: 1) уравнение (2.2.32) представляет собой электрическое соотношение, да-

0,1 0,01

1-г- -г-тт- fipau uHippanpac-J нога поглощенил /

•элеевсное / cceя»uej

Расчетный край 1/льт/. летовога п ния

Ос/1ищс~ х

3,0 2,0 1,0

Энергия (ротона, эВ

Рис. 3.1. Фундаментальные потерн в стеклах с высоким содержанием кварца



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [ 23 ] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0012