Режимы прохождения луча по оптическому волокну. Связь между понятиями луча и моды
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
САРАТОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.
Кафедра
«Радиотехника»
КУРСОВОЙ
ПРОЕКТ
По
дисциплине «Оптические устройства в радиотехнике»
на тему:
«Режимы
прохождения луча по оптическому волокну. Связь между понятиями луча и моды»
Саратов,
2012 г.
Введение
Оптическое волокно
представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из
сердцевины и оболочки. Оболочка покрыта защитным слоем из акрилатного лака.
Сердцевина легирована германием, поэтому её показатель преломления больше, чем
у оболочки. Свет распространяется в сердцевине волокна, испытывая полное
внутреннее отражение на границе с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину
порядка длины волны, т.е. на глубину много меньше её толщины и, следовательно,
не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для
защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды.
Волокна делятся на два основных типа:
многомодовые и одномодовые. Многомодовые волокна применяются в локальных
вычислительных сетях и частично в транспортных сетях на уровне доступа.
Одномодовые волокна применяются в транспортных сетях всех трех уровней:
магистральном, уровне распределения и уровне доступа.
Мода оптического волновода
- тип волны оптического излучения, распространяющегося по оптическому
волноводу, характеризующийся определенным распределением поля в поперечном
сечении и определенной фазовой скоростью.
Луч
в волновой оптике представляет собой нормаль к волновому фронту, проведенную в
сторону распространения света. [1]
Распространение лучей по оптическому
волокну
Жила ОВ может быть названа оптическим световодом.
На рис. 1 показана жила волокна и составляющие ее части жила ОВ состоит из
внутренней сердцевины и окружающей ее оболочки. Любые дополнительные покрытия
(оболочки) являются защитными. На рис. 1 показано внешнее пластиковое покрытие.
Рисунок 1 - Основная конструкция оптического
волокна
Преломление света
представляет собой явление изменения направления распространения оптического
излучения (света) при его прохождении через границу раздела двух сред.
Когда свет переходит из среды с большим
показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный
луч отклоняется от нормального. Это, например, происходит тогда, когда луч из
воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между
двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем
больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор, пока
преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и
начинает скользить по поверхности раздела. Рис. 2 демонстрирует картину при
различных углах падения. Рис. 2(а) показывает такой угол падения, при котором
преломленный луч полностью уходит в свободное пространство. Рис. 2(б)
показывает такой угол падения, который называется критическим, когда
преломленный луч начинает скользить по границе раздела. Рис. 2(в) демонстрирует
случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол
падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи
света, требует использования полного внутреннего отражения. [2]
Рисунок 2 - Путь лучей для нескольких углов
падения, n1>n2, где n1 и n2 - показатели преломления двух различных сред
Распространение света в волокне иллюстрирует
рис. 3. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в
него под углом не более некоторого критического относительно оси волокна, то
есть попадать в воображаемый входной конус. Синус этого критического угла
называется числовой апертурой световода.
Рисунок 3 - Ввод света в оптоволокно. 1- входной
конус, 2 - осевая мода, 3 - мода низкого порядка, 4 - мода высокого порядка
Дисперсия
- зависимость показателя преломления вещества (или скорости распространения
света) в нем от частоты проходящего через него света.
Световой импульс, проходя по волокну, из-за
явления дисперсии изменяет свою форму. Дисперсия бывает трех видов: модовая,
молекулярная и волноводная. [3]
Модовая дисперсия
(modal dispersion) в многомодовом волокне возникает из-за разности длин путей,
проходимых лучами различных мод. Эта дисперсия определяется как разность
времени прохождения единицы длины волокна различными модами, для нее типичны
значения 15-30 нс/км для волокна со ступенчатым профилем. Ее можно уменьшать,
сокращая количество мод - уменьшая диаметр сердцевины (в пределе до одномодового).
Кроме того, эту дисперсию уменьшает применение градиентного профиля показателя
преломления. Применение сердцевины с градиентным изменением показателя
преломления в многомодовом волокне позволяет уменьшить количество мод, а
следовательно, и уменьшить искажение выходного импульса. Кроме того, лучи,
идущие по длинным траекториям, значительную часть пути проходят по среде с
меньшей плотностью - их скорость больше, и приходят они почти одновременно с
лучами более коротких траекторий.
Спектральная дисперсия,
называемая также молекулярной или материальной, вызвана тем, что волны с разной
длиной распространяются в одной и той же среде с различной скоростью, что
обусловлено особенностями молекулярной структуры. Поскольку источник излучает
не одну волну, а спектр (пусть и узкий), лучи различной длины волны будут
достигать приемника не одновременно. В области около 850 нм более короткие
волны по световоду движутся медленнее, чем более длинные. В области 1550 нм
ситуация обратная. В области около 1300 нм дисперсия нулевая. Молекулярная
дисперсия определяется как разность времени прохождения по волокну излучения
различных длин волн, отнесенная к разности длин этих волн и длине волокна
(единица измерения - пс/нм/км). Молекулярная дисперсия существенна для одномодового
волокна (в многомодовом ее влияние малозаметно). Снизить ее влияние можно
уменьшением ширины полосы излучения источника и выбором оптимальной длины
волны.
Волповодная дисперсия,
актуальная для одномодового волокна, обусловлена разностью скоростей распространения
волн по сердцевине и оболочке.
Относительно недавно было обнаружено, что эффект
дисперсии можно предотвратить, если придавать импульсам специальную форму, а
именно обратной величины гиперболического косинуса. В этом случае будет
возможно посылать импульсы на тысячи километров без искажения формы. Такие
импульсы называются уединенными волнами.
Режим прохождения
- одномодовый или многомодовый - определяется способом ввода света в волокно
(инжекции), конструкцией волокна и длиной волны источника. Ввод света для
одномодового режима должен осуществляться узким лучом точно вдоль оси волокна,
здесь в качестве источника можно использовать только лазер. Для многомодовой
передачи может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий
более широкую диаграмму направленности. Передача в одномодовом режиме возможна
лишь при длине волны, превышающей некоторое пороговое значение. Эта пороговая
длина волны определяется конструкцией волокна (диаметром сердцевины). Волокно
для одномодовой передачи на длине волны 1300 нм имеет пороговую длину волны
около 1200 мкм. Следовательно, в таком волокне на длине волны 850 нм
одномодовая передача невозможна. При одномодовой передаче луч передается и по
внутренней части оболочки, поэтому ее прозрачность, как и прозрачность
сердцевины, влияет на затухание сигнала. Здесь световой луч характеризуется
диаметром модового пятна - области сечения волокна, через которую он
распространяется (больше, чем сердцевина). В многомодовом волокне через
оболочку свет не идет, так что ее прозрачность несущественна.
Связь между понятиями луча и моды
волоконный оптика дисперсия луч
Свет, распространяющийся в волокне, можно
представить в виде суммы элементарных составляющих (мод). Каждая мода
распространяется параллельно оси волокна со своим значением фазовой и групповой
скорости, поляризации и распределением амплитуды в поперечном сечении. Фазовый
фронт у мод плоский, а нормаль к плоскости фазового фронта параллельна оси
волокна (рис.4). Основное достоинство представления света в виде суммы мод
состоит в том, что при распространении в волокне мода не меняет своего
распределения амплитуды и фазы в поперечном сечении.
Рисунок 4 - Распределение амплитуды
и фазы для первых двух мод волокна. Первая мода симметричная. Фазовый фронт
плоский и перпендикулярен оси волокна.
В тоже время каждую моду можно
представить в виде суммы плоских волн, изображаемых в виде лучей, образующих
конус. Причем, чем выше номер моды, тем больше угол раствора лучей, образующих
этот конус (рис. 5). Хотя моду можно представить только полным набором таких
лучей, ее часто изображают одним лучом. При этом подразумевается, что чем
больше угол наклона луча, тем выше номер моды.
В цифровых линиях передачи свет
распространяется в волокне в виде последовательных импульсов. Эта
последовательность импульсов переносится одновременно всеми модами и,
соответственно, образующими их лучами. Так как угол наклона лучей, образующих
более высокую моду, больше, чем у лучей, образующих более низкую моду, то
импульсы, передаваемые высшими модами, запаздывают сильнее. Поэтому в
многомодовом волокне импульсы, передаваемые разными модами, испытывают разную
задержку и могут накладываться друг на друга. Этот механизм уширения импульсов
называют межмодовой дисперсией (рис. 6). [4]
Рисунок 5 - Лучи, формирующие первую
и вторую моды волокна. Угол наклона лучей во второй моде больше, чем в первой
моде, и они глубже проникают в кварцевую оболочку.
Рисунок 6 - Межмодовая дисперсия в
многомодовом волокне
Заключение
В ходе проделанной работы были
изучены основные понятия волоконной оптики, а также процесс распространения
лучей по оптическому волокну. Были рассмотрены различные виды дисперсии и
режимы прохождения луча по оптическому волокну. Также была установлена связь
между понятиями луч и мода.
Список использованной литературы
1. А.
В. Листвин, В. Н. Листвин Рефлектометрия оптических волокон - М.: ЛЕСАРарт,
2005. 208 с, ил.
2. Р.
Фриман, Волоконно-оптические системы связи - М.: Техносфера, 2003, 590 с, ил.
3. В.Г.
Олифер, Н.А. Олифер, Компьютерные сети. - СПб.: Питер, 2004, 364 с.
. А.Б.Семёнов,
Проектирование и расчет структурированных кабельных систем и их компонентов. -
М.: ДМК Пресс, 2003, 416 с.