!00i<m

lOxM

100m

ИВарцедое волокка\ с палимерной aSo лачкой ,

\2MSum/c в

-~1-Т

ТЗмкм

\55мкм 9мт

ЮОкбит/с 1 Мбит/с 10Мбитfc lOOMaamic 1Гбт/с Спорость передачи данных

Рис. 3.7. Скорости передачи данных и расстояния между ретрансляторами, реализуемые в оптических системах связи, использующих лазеры

ся градиентное волокно с еще лучшим профилем показателя преломления, то преимущество длины волны 1,3 мкм в будущем увеличится. В частности, в таком случае дешевая и надежная система связи, использующая светодиод с /j-i-л-фотодиодом, могла бы обеспечить увеличение расстояния между ретрансляторами до 20 км при скорости передачи данных до 300 Мбит/с.

Как можно видеть из рис. 3.7, использование лазерных источников на длине волны 1,55 мкм также дает преимущества при малых скоростях передачи данных. При более высокой информационной пропускной способности независимо от длины волны начинает преобладать межмодовая дисперсия как в ступенчатых, так и в градиентных волокна;:. По причинам, которые позже будут рассмотрены в гл. 5, более сложная ситуация возникает при использовании одномодовых волокон. При использовании обычного лазерного источника излучения (Y- 0,СЮ4), работающего на длинах волн 0,9 и 1,55 мкм, информационная пропускная способность системы связи будет ограничена дисперсией, если скорость передачи данных превысит 50 ... 100 Мбит/с. Это обеспечивает преимущество в 100 Мбит/с для системы, работающей на длине волны 1,3 мкм, которая всегда ограничена по затуханию. Однако лазеры можно сделать работающими на одной продольной моде и в этом случае v может стать менее 0,0001. При этих условиях материальная дисперсия становится малой даже на А. = 1,55 мкм, что позволяет воспользоваться преимуществом минимального затухания иа этой длине волны (штриховая кривая на рис. 3.7).

Во всем мире ведутся интенсивные исследования по разработке более длинноволновых источников излучения, которые по мощности и надежности будут соответствовать излучателям из арсенида галлия,

и длинноволновых фотодетекторов, эффективность (КПД) и шумовые характеристики которых были бы на уровне кремниевых диодов. Некоторые из этих работ рассматриваются в последующих главах. Имеются все основания полагать, что значительная часть оптических систем связи будущего будет использовать оптическое излучение с длиной волны в свободном пространстве 1,55 и 1,3 мкм.

3.4. ПЛАСШАССОВЬК ТОЛОКНА И КВАРЦЕВЫЕ ВОЛОКНА С ПОЛИМЕРНОЙ ОБОЛОЧКОЙ

Для связи на короткие расстояния прн низких скоростях передачи данных представляется целесообразным рассмотреть очень дешевый вид оптического волокна, изготавливаемого целиком из пластмасс. По-видимому, информационная пропускная способность таких систем будет ограничиваться величиной в несколько Мбит/с, а дальность связи ~- сотнями метров. Для изготовления сердцевины волокна наиболее пшроко используются два прозрачных пластических материала, а именно, полиметилметакрилат (РММА, лучше известный как плексиглас) и полистирол. Их показатели преломления соответственно равны 1,49 и 1,59. Полиметилметакрилат является хорошим материалом для изготовления оболочки оптических волокон с сердцевиной из полистирола. В других случаях для этой цели можно использовать полимер на основе фтороуглерода или селиконовую резину.

Главным преимуществом пластмассовых волокон является их дешевизна, легкость их соединения и простота работы с ними. Их можно сделать с большой числовой апертурой и достаточно большого диаметра. Например, 0,5 ...1,0 мм. Благодаря тому, что пластмассовые волокна мягкие и не хрупкие, их .можно изгибать под большими углами, несмотря на их относительно большой диаметр. Часто онп могут быть удовлетворительно разрезаны с помощью лезвия для бритья, а их точное совмещение и соединение не представляет трудностей.

Недостатки этих волокон обусловлены большими потерями и дисперсией, характерными для полимерных материалов, а также сильной зависимостью их свойств от температуры. Верхний предел рабочих температур составляет для них 80... 100°С. В некоторых случаях температурные коэффициенты показателей преломления сердцевины и обо лочки оказываются совершенно разными, что приводит к зависимости числовой апертуры от температуры. В ряде систем при уменьшении температуры возможна ситуация, при которой показатель преломления оболочки становится больше показателя преломления сердцевины, в результате чего волокно перестает работать как световод при температурах ниже некоторого предельного значения.

Большие потери в рассматриваемых волокнах обусловлены поглощением и рассеянием света в полимерах. Полимеры имеют значительные полосы поглощения, связанные с видами колебаний С-Н связей различных типов. Наиболее важные резонансы имеют место на следующих длинах волн: 1,09; 1,02; 0,91 и 0,74 мкм. Однако имеется и много

Рис. 3.8. Потери в пластиковом волокне с сердцевиной из полистирола. Щаииые взяты из статьи S. Oikawa et al.-Ets. Lett. 15, 829- 830 (6 Dec. 1979).]

3,5 0,6

Длима Волнь1,мкм

других комбинационных тонов и гармоник на более коротких длинах волн, что хорошо видно на рис. 3.8. Большие цепные молекулы, которые образуют полимер, наряду с эффектом пылеобразных включений ответственны за высокие потери из-за рэлеевского рассеяния. Длина волны, соответствующая минимуму потерь, обычно составляет 0,5 ... О 7 мкм, а минимальные потери 200 ... 2000 дБ/км. Было сделано предположение, что замена водорода дейтерием сдвинула бы полосы поглощения в более длинноволновую область и уменьшила бы таким образом имеющиеся уровни минимальных потерь.

Близость взаимного расположения полос поглощения, обусловленных С - Н связя.ми, приводит к больши.м значениям материальной дисперсии. Вместе с тем пластиковые волокна - это ступенчатые волокна, и одно из их достоинств состоит в возможности получения больших числовых апертур. Таким образом, на практике в общей дисперсии будет преобладать межмодовая дисперсия.

Оптические волокна, имеющие сердцевину из чистого кварца, а оболочку из прозрачного полимера, по своим свойствам занимают промежуточное положение между высококачественными волокнами из легированного кварца и полностью полимерными волокнами. К таким волокнам относятся кварцевые волокна с полимерной оболочкой. Обеспечиваемые ими рабочие характеристики систем связи приведены на рис. 3.6 и 3.7. Было сообщено об успепшом изготовлении нескольких

Рис. 3.9. Показатель преломления объемного образца патентоваииой вулкаиизированиой силиконовой резины

[Данные взяты из статьи J. W. Fleming, Applied Optics 18, 4000-4002 (1979).]

O.S 0,7 0,8 0,3 1,0 1,1 Длина Водны, мнм