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]

ио полученные результаты можно удовлетворительно объяснить и на основе лучеюй модели. Однако описанные здесь методы создают основу для рассмотрения одномодоюго распространения света в ступенчатом волокне, а также для изучения многомодоюго распространения света в градиентных волокнах.

5.5. ОДНОМОДОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА

В многогюдовых ступенчатых волокнах межмодовая дисперсия налагает очень серьезные ограничения на их информационную пропускную способюсть. Однако ее можно полностью исключить, если спроектировать юлокно таким образом, чтобы в нем могла распространяться только одна мода НЕц. Как было показано в § 5.2, условие одномодово-сти ВОЛОКНЕ имеет вид

К = 2яй(п?-/г)/2Д<2,405. (5.5.1)

Оно может быть достигнуто увеличение.м рабочей длины юлны,. уменьшением диаметра сердцевины или уменьшение.м разности показателей преломления между сердцевиной и оболочкой. Длина юлны обычно выбирается из других соображений и, несмотря на то, что общепринято использовать малые значения An, лежащие в области-0,002, любое дальнейшее уменьшение An сделало бы волокно очень чувствительным к потерям на изгиб, как это отмечалось в § 3.1.3. Поэтому по порядку величины полученные размеры одиомодового волокна равны приведенным на рис. 2.Э, е. Если принять >. = 0,85 мкм, п --= 1,46 и An = 0,002, то условие (5.5.1) обеспечения работы волокна в одномодовом режиме преобразуется к виду

2а <--По- = 8,5 мкм.

Хотя в данном случае диаметр сердцевины должен быть уменьшен до 5 ... 10 мкм, диаметр оболочки обычно оставляют на уровне 60 ... ... 100 мкм для того, чтобы сохранить механические характеристики волокон и удобство работы с ними, а также~в целях уменьшения их чувствительности к потерям на изгиб от деформаций.

Возбуждение одиомодового юлокна требует источника излучения, обеспечивающего получение высокой мощности с малой площади. Идеальными для этой цели оказываются полупроводниковые инжекци-онные лазеры. Одна из поперечных мод излучения такого лазера может быть непосредственно введена в волокно и преобразована в НЕ моду распространения. Если же попытаться ввести в одномодовое волокно свет от некогерентного источника излучения, такого как СД, то только очень малая часть излучаемой им мощности будет распространяться в волокне, а сам источник будет неэффективным.

Достоинства систем, использующих одномодовые волокна, очевидны. В них полностью исключена межмодовая дисперсия. Использование лазерного источника излучения, устойчиво работающего на одной



, dHVb)

\ \\

\\ \\

Форм (5 5.-

поперечной или одной продольной моде, обеспечивает чрезвычайно малую ширину спектральной линии излучения, много меньше 1 им. Поэтому матери"альиая и волноводная дисперсия также будут минимальны. Даже если во время импульса в волокио вводится несколько продольных мод лазера, что приводит к расширению спектральной линии излучения до 1 или 2 им, дисперсия среды передачи, вероятно, ограничит информационную пропускную способность системы только при очень больших расстояниях между ретрансляторами.

Чтобы оценить общую виутримо-довую дисперсию, необходимо знать значение параметра Vd (V6)/dV для фундаментальной моды НЕц с тем, чтобы к материальной дисперсии можно было добавить эффекты волноводной дисперсии в соответствии с выражением (5.4.14). Характеристики распространения этой моды были приведены иа рис. 5.8 и рис. 5.10. По ним можно определить значения VdP (Vb)ldV, которые иа рис. 5.12 изображены в виде зависимости от нормализованной частоты V. Для значений V в пределах 1,5 < К < 2,4 для ЬК широко используется приближение вида

-0,2 i--1--1

Рис. 5.12. Зависимость пара.метра волноводной дисперсии Vd(Vb)l dV от параметра нормализованной частоты V для моды НЕп в ступенчатом волокне

6=1,1428-

0,996 \2

(5.5.2)

Оио изображено иа рис. 5.12 штриховой кривой. После дифференцирования получаем

d (Vb)/dV = 1,306 - (0,992/F), (5.5.3)

откуда

У (d(K6)/dF)= 1,984/Р, (5.5.4)

и окончательно получаем d {V4)/dV = 2,612.

(5.5.5)

Выражение (5.5.4) также представлено иа рис. 5.12 штриховой кривой. Она характеризует чувствительность дисперсии к точной функциональной зависимости b (V).

В § 2.2.3 был определен параметр материальной дисперсии

Х« (dn/dX) = CD (dN/da).

(2.2.45)



Из формулы (5.4.14) видно, то может потребоваться небольшая коррекция, поэтому определим К„ по-новому следующим образом:

со-. (5.5.6)

По аналогии можно ввести также параметр волноводной дисперсии Кц, и дифференциальный параметр материальной дисперсий V, а именно,

y - aILvL.

"-1 dv- --

Ya==N,-±--Lc---. (5.5.8)

dV da,

В таком случае формулу (5.4.14) можно представить в следующем виде, если ввести величину у = ДХ/Х = Дсо/сй:

Jl- = \Y+Y„,+ Ya\y. (5.5.9)

Чтобы определить относительные величины трех слагаемых в (5.5.9) для типичного волокна, рассмотрим в качестве примера одномодовое волокно, оболочка которого изготовлена из чистого кварца, а сердцевина из кварца, легированного германием. Исследуем их поведение на четырех длинах волн: 0,85; 1,27; 1,35 и 1,55 мкм - в предположении, что волокно будет спроектировано таким образом, что на каждой длине волны А 0,005, а V = 2,0. Предположим также, что на каждой длине волны имеются лазерные источники излучения с относительной шириной спектральной линии у = 0,003. Для получения А = 0,005 потребуется концентрация примеси германия около 4,5 %. При К - 2 получаем следующие значения интересующих нас величин, определяемых формулами (5.5.3) - (5.5.5):

d iVb)/dV - 1,058, Vd {VbydV - 0,496 и d (V-b)/dV - 2,612.

Несмотря на го, что найденные значения могут быть верхними (предельными) оценками, они были использованы при pac4eiax дисперсионных параметров, представленных в табл. 5.2.

Очевидно, что на длине волны 0,85 мкм параметр Y преобладает над всеми другими слагаемыми в формуле (5.5.9). Однако, как было показано в§ 2.2.3, с увеличением длины волиы значение Y уменьшается до нуля, а затем изменяет знак иа длине волны около 1,28 мкм. На более длинных волнах волноводная и материальная дисперсии будут компенсировать друг друга. На практике это означает, что для одиомодового волокна минимум общей дисперсии сдвигается в сторону более длинных волн, в нашем примере к 1,35 мкм. Степень этого сме-



[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]

0.001