Типы и конструкции световодов, характеристики их потерь, входная и выходная апертуры

Числовая апертура ОВ. Итак, при вводе излучения в ОВ (рисунок 9) только те лучи, которые соответствуют условию ПВО на границе "сердцевина - оптическая оболочка" направляются световодом.

Рисунок 9 - Конус лучей света, создающих направляемые моды

Угол q_а падения света на торец ОВ, при котором угол отражения на границе "сердцевина-оболочка" равен b_пред, называют апертурой оптического волокна. Наряду с этим понятием используют понятие «числовая апертура»:

(19)

Для ступенчатого световода, в котором показатель преломления сердцевины постоянен и на границе с оболочкой "ступенькой" уменьшается (считая, что показатель преломления окружающей среды равен 1), числовая апертура равна:

(20)

где D - относительная разность показателей преломления "сердцевина-оболочка".

Последнее выражение учитывает только меридиональные лучи. Для косых лучей со сложной траекторией распространения расчет не дает такого простого выражения. Учет косых лучей приводит к некоторому увеличению действительной апертуры ОВ.

Для градиентных ОВ вводится понятие локальной числовой апертуры, определяемой по формуле:

,

(21)

которая учитывает изменение максимального угла ввода оптического излучения от того в какой точке сердцевины ОВ находится вершина конуса (рисунок 6). Если r = 0, т.е. излучение вводится по оси волокна, то локальная числовая апертура равна номинальной числовой апертуре.

Для градиентного ОВ с параболическим ППП числовая апертура для меридиональных лучей определяется выражением

.

(22)

Согласование числовых апертур при вводе-выводе излучения а также при соединении волокон является необходимым условием достижения минимума потерь.

Затухание ОВ – один из важнейших его параметров, от которого зависит в основном длина регенерационного участка волоконно-оптической системы передачи (ВОСП).

Затухание в ОВ выражается в дБ, а коэффициент затухания – в дБ/км. Малое затухание (0,1-0,4 дБ/км) является важнейшим преимуществом ОВ по сравнению с медными кабелями.

Затухание волн – уменьшение амплитуды и следовательно, интенсивности волн по мере их распространения. Затухание волн обусловлено следующими основными причинами: расхождение, рассеяние, поглощение.

Уменьшение интенсивности оптических сигналов в световодах схематически показано на рис. 1.

В общем случае коэффициент затухания ОВ определяется следующими составляющими:

a = a_пм + a_рр + a_пр + a_ик + a_каб ,

где a_пм – коэффициент затухания, связанный с потерями на диэлектрическую поляризацию в материале ОВ; a_рр – обусловлен рассеянием; a_пр – связан с наличием в ОВ посторонних примесей; a_ик – потери на поглощение в инфракрасной области, a_каб – определят кабельные потери. В линиях связи коэффициент затухания дополнительно увеличивается за счет потерь в соединениях ОВ.

Потери энергии при прохождении света через вещество описывается законом Бугера-Ламберта:

Для L=1:

,

связывающего интенсивность I прошедшего (через слой вещества толщиной L) пучка света с интенсивностью падающего пучка I₀. Не зависящий от интенсивности коэффициент поглощения k_l различен для разных длин волн. Поглощение в твердых телах характеризуется как правило очень широкими областями с большим k_l. Качественно это объясняется тем, что в конденсированных средах сильные взаимодействия между частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, отданной светом одной из них.

Диэлектрические потери это часть энергии переменного электрического поля, которая преобразуется в теплоту при переполяризации диэлектрика. Все движения частиц в веществе связаны с диссипацией части энергии, сообщенной частицам электрическим полем: в конечном счете эта энергия превращается в теплоту. Диэлектрические потери тем больше, чем больше скорость частиц.

Рассеяние, с одной стороны, обусловлено неоднородностями материала, размеры которых меньше длины волны, с другой стороны рассеяние обусловлено тепловыми флуктуациями показателя преломления. Рассеяние света принципиально неустранимо и вносит вклад в затухание ОВ даже в случае, когда потери на поглощение равны нулю.

Составляющая коэффициента затухания за счет релеевского рассеяния

где К_р – коэффициент рассеяния

Посторонние примеси в ОВ приводят к дополнительному поглощению оптической мощности. Такими примесями являются ионы металлов (никель, железо и др.) и гидроксильные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания a ( l ) на определенныхдлинах волн.

Измерения затухания. Измерения затухания осуществляется на всех стадиях производства ОК, строительства и эксплуатации ВОЛС.

В общем виде затухание сигнала между точками 1 и 2 направляющей системы определяется как:

,

где Р₁ – мощность сигнала в точке 1, (мВт);

Р₂ – мощность сигнала в точке 2, (мВт).