Тема 18. Волоконные световоды и другие Линии передачи

Волоконные световоды. Одноволновые и многоволновые волокна. Градиентные волокна. Понятие о материальной дисперсии. Ослабление волн в волоконных световодах. Область применения волоконных световодов.

Диэлектрический волновод. Типы волн в диэлектрическом волноводе. Структура поля. Основной тип волны. Область применения.

Диэлектрические пленочные линии. Планарные волноводы.

Однопроводная линия передачи (линии Губо). Область применения.

Особенности возбуждения колебаний в линиях передачи поверхностных волн. Элементы линий передачи поверхностных волн.

Указания к теме

В результате изучения этой темы необходимо усвоить особенности конструкций и параметров световодов и ЛП поверхностных волн основных видов, а также методы расчета их электрических характеристик.

Следует уяснить физические основы распространения ЭМВ в данных направляющих системах, провести сравнение параметров ЛП с направляющими системами других типов.

Особое внимание необходимо уделить изучению волоконно-оптических линий, диэлектрических волноводов. При изучении оптоволоконных линий следует обратить внимание на особенности конструкции ступенчатых и градиентных световодов, уяснить разновидности дисперсии и методы минимизации дисперсионных искажений, знать область применения.

Основные сведения

Световоды (оптические волокна (ОВ)), диэлектрические волноводы относят к ЛП нулевой связности. ЭМВ передается в диэлектрике, не ограниченном проводящей поверхностью. Физической основой распространения светового потока в этом случае является эффект полного внутреннего отражения (рис. 18.1 j > j_кр) – тема 9. Световоды составляют основу волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) (рис. 18.2).

ВОЛС обладают уникальной совокупностью важнейших свойств:

· высокая пропускная способность (широкополосность) канала связи;

· высокие помехозащищенность и скрытность передачи;

· компактность, малая масса линии, отсутствие цветных металлов;

· потенциально низкие капитальные и эксплуатационные затраты в расчете на один канал связи.

Для того, чтобы в ОВ дисперсионные искажения были малы, выбирают малое отличие показателей преломления (ПП) сердцевины и оболочки ОВ (De = 0,001…0,1; De = e₁ – e₂), при этом j_кр приближается к 90º.

Из рис. 18.1 видно, что распространяющиеся в ОВ лучи 1 и 2 имеют различные углы отражения, поэтому одну и ту же длину ВОЛС проходят за разное время Dt [с/км].

Полоса пропускания ОВ определяется так [50]:

, (18.1)

где k_ф – коэффициент формы (от 0,44 при гауссовской форме импульса до 0,6 при прямоугольной).

Применяются такие разновидности ОВ:

· одномодовое двухслойное ОВ а » 6 мкм (a/l » 5…10, b/l » 20…30);

· многомодовое ОВ a » 50 мкм, b = 60–100 мкм (a/l » 50, b/l » 125) (рис. 18.2);

· градиентное ОВ (a/l » 50…100, ЭМВ в основном концентрируется в области a » 25 мкм, оболочка ОВ отсутствует или имеется тонкая защитная пленка).

Оболочка предназначена для улучшения свойств распространения светового потока и защиты сердечника от механических повреждений.

Одномодовые ОВ имеют малый диаметр сердечника (для l = 1,31 и 1,55 мкм он составляет 8…10 мкм) и малую De»0,01. Это является их принципиальным недостатком, так как затрудняется их монтаж и стыковка. Достоинства одномодовых ОВ – высокая широкополосность (до 100 ГГц×км) при малых потерях (0,1…0,3 дБ/км).

Многомодовые ОВ имеют значительно больший диаметр сердечника (50 и 62,5 мкм для l = 850 и 1310 нм) и больший De » 0,1 , что удобно при монтаже, но приводит к большим затуханию (0,5…5 дБ/км) и дисперсии, чем у одномодовых ОВ, так как у этих световодов преобладает межмодовая (модовая), обусловленная различием v_гр и v_ф для различных мод. В настоящее время многомодовое ОВ применяется редко, только на участках подключения оконечного оборудования пользователей к кон­цент­раторам оптических сетей. В этом случае высокой пропускной способности не требуется, но зато упрощаются монтажные работы по подключению абонентов.

Следующим шагом по уменьшению дисперсии стало появление градиентных световодов. Принцип действия этих ОВ основан на плавном изменении траектории луча при наличии отрицательного градиента e(r). На рис. 18.3 показан ход лучей в многоступенчатом световоде, состоящем из множества слоев, для которых e₁ > e₂ > e₃ >… . При выполнении данного условия угол преломления будет возрастать, а угол падения луча на каждый последующий слой будет уменьшаться до тех пор, пока не будет выполнено условие j > j_кр .

При плавном изменении e по радиусу ОВ траектория луча будет иметь вид (рис. 18.4). Луч концентрируется вдоль оси ОВ, что уменьшает внутримодовую дисперсию и в результате повышает широ­кополосность ВОЛС.

В круглом градиентном ОВ возможны три траектории распространения света: центральным, меридиональным и спиральным лучами. Так как в градиентном ОВ распределение ПП плавное (с наибольшим значением в центре и непрерывным спадом к границе с оболочкой), центральный луч движется по оси ОВ в материале с высоким ПП («медленный» материал) и проходит кратчайший путь с наименьшей для данного ОВ скоростью. Траектория меридионального луча напоминает синусоидальную линию. Такой луч проходит больший, по сравнению с центральным лучом, путь, но с большей скоростью, так как значительную часть пути он проходит в материале с меньшим ПП. Длина пути спирального луча больше центрального и меридионального, но весь путь он проходит в «быстром» материале. Поэтому подбором профиля ПП возможно добиться компенсации разности путей прохождения различных лучей соответствующими разностями их скоростей так, чтобы разность времени прохождения единицы длины ОВ была бы незначительной.

В последние годы появились ОВ со сложным законом e(r) для фильтрации низших типов мод и многослойные, преимущественно кольцевые одномодовые ОВ, у которых световедущая жила в поперечном сечении представляет кольцо, e₂ которого больше, чем у соседних слоев. Условия распространения выполняются только для кольцевой области. Преимущества кольцевых ОВ перед обычными заключаются в возможности передачи большей мощности и улучшением эксплуатационных характеристик, так как диаметр кольца больше диаметра световедущего сердечника.

Для возбуждения световодов применяются светодиоды и полупроводниковые лазеры. Лучи, попадающие в ОВ и удовлетворяющие условию распространения, называются апертурными [38].

Критическая частота и длина световой волны определяется соотношениями ( , – ПП сред):

; . (18.2)

Для основного типа волны HE₁₁ , это значит, что волна HE₁₁ существует на всех частотах, являясь основным типом волн. Следующие типы волн H₀₁ и E₀₁ имеют n₀₁ = 2,405. Следовательно, условие одномодового режима ОВ определяется следующим уравнением (d = 2a):

. (18.3)

Диаметр сердечника ОВ для реализации одномодового режима

. (18.4)

Фазовая скорость ЭМВ в ОВ находится в пределах

. (18.5)

Скорость переноса энергии в ОВ (групповая скорость)

. (18.6)

Групповая скорость v_гр в ОВ всегда меньше фазовой v_ф [38].

Дисперсия в ОВ приводит к искажениям передаваемых сигналов, ограничивая полосу пропускания и информационную емкость ВОЛС.

В результате дисперсии различные частотные составляющие сигнала проходят участок световода L с различными задержками, вызывая расширение импульса Dt.

. (18.7)

Рассмотрим влияние различных видов дисперсии на Dt.

В регулярном ОВ обнаруживаются такие виды дисперсии:

· хроматическая дисперсия, которая подразделяется на

§ материальную дисперсию (Dt_м) – зависимость ПП сердечника от l,

§ волноводную (внутримодовую) дисперсию (Dt_вв) – зависимость v_гр основной моды от l,

§ профильную дисперсию (Dt_проф), которая появляется из-за флуктуаций профиля ПП в реальных ОВ;

· модовая (межмодовая) дисперсия (Dt_мод), возникающая из-за того, что разные моды имеют разные скорости распространения в ОВ;

· поляризационно-модовая дисперсия (ПМД – Dt_пмд), возникающая из-за деполяризации (изменения поляризации) световых волн при распространении в реальных ВОЛС. Влияние ПМД становится заметным только в одномодовых ОВ с малой хроматической дисперсией.

Хроматическая дисперсия в современных ОВ составляет 3,5 пс/нм/км для l = 1,31 мкм и 18 пс/нм/км для l = 1,55 мкм [38, 39].

В многомодовых ступенчатых ОВ доминирует межмодовая дисперсия (10–50 нс/км), которая ничем не может быть скомпенсирована.

Для того чтобы уяснить физический смысл внутримодовой и межмодовой дисперсии, рассмотрим луч в сердечнике (рис. 18.1).

Очевидно, что при длине световода L длина пути, пройденного лучом, составит L/sin j , и время распространения луча по световоду будет зависеть от j. Разность времени распространения луча по самому длинному и самому короткому пути составит

. (18.8)

Уравнение (18.8) характеризует влияние внутримодовой дисперсии за счёт разных путей распространения луча. Чем меньше n₁ – n₂, то есть чем меньше диапазон допустимых углов скольжения, тем меньше искажение импульса. При межмодовой дисперсии таких лучей будет несколько, что и определяет ее преобладающий вклад в общую дисперсию.

Вклад материальной дисперсии Dt_м определяется так:

, (18.9)

где Dl – ширина спектра источника сигнала; l₀ – средняя длина волны.

Анализ уравнения (18.9) показывает, что при l < 0,9 мкм дисперсия приводит к значительному расширению светового импульса, что существенно ограничивает скорость передачи информации в ОВ.

Для уменьшения влияния материальной дисперсии необходимо уменьшить ширину спектра источника излучения. В современных лазерных источниках света достигнута ширина линии 1 нм.

Рассеяние света по различным лучевым траекториям в ступенчатом и градиентном ОВ объясняется двумя факторами: немонохроматичностью источника света (Dl) и различием фазовых скоростей мод.

В одномодовых ступенчатых ОВ дисперсия определяется преимущественно шириной спектра источника (Dl) и величиной Dn.

В области длин волн 1,2…1,4 мкм материальная дисперсия близка к нулю. Так как материальная и волноводная дисперсии имеют разные знаки, подбором Dn можно добиться компенсации дисперсионных искажений в этом диапазоне до значительных величин.

При распространении сигнала внутри ОВ происходит его экспоненциальное затухание, вызываемое потерей мощности Р и обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн-частиц со средой ОВ. Если Р₀ – мощность, вводимая в ОВ длиной L, прошедшая мощность Р_L определяется выражением

, (18.10)

где a – коэффициент затухания ОВ.

Используя эту формулу, можно получить выражения для оценки общих и удельных (километрических) потерь соответственно

[дБ], [дБ/км]. (18.11)

Затухания в ОВ обусловлены собственными потерями в ОВ a_c и дополнительными потерями, так называемыми кабельными, a_к обусловленными скруткой, а также деформацией и изгибами ОВ в кабеле :

a = a_с + a_к = a_пм+ a_пп+ a_р+ a_к ,(18.12)

где a_пм – коэффициент затухания из-за поглощения в материале ОВ,

a_пп – коэффициент затухания из-за поглощения в примесях;

a_р – коэффициент затухания из-за рассеяния на нерегулярностях.

Потери, возникающие при распространении сигнала по ОВ, объясняются тем, что часть мощности, поступающей на вход ОВ, рассеивается вследствие изменения направления распространения лучей на нерегулярностях (a_р), другая часть мощности поглощается как самими молекулами кварца (a_пм), так и посторонними примесями – ионы металла и гидроксильные группы (a_пп), выделяясь в виде джоулева тепла. Примесями могут являться приводящие к появлению резонансных всплесков затухания.

Потери на поглощение состоят из собственного поглощения и поглощения из-за наличия в стекле ионов металлов переходной группы Fe²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺ и ионов гидроксильной группы ОН. Механизм этих потерь связан с диэлектрической поляризацией в электрическом поле. Для ВОЛС эти потери оцениваются по формуле [44]

[дБ/км], (18.13)

где n₁ – ПП сердцевины ОВ; tgd – тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины ОВ, принимающий значения в диапазоне от 10^–12 до 2×10^–11; l – длина волны (км).

Эта составляющая существенно зависит от свойств материала ОВ, характеризует нижний предел поглощения для данного диэлектрика и становится значимой в ультрафиолетовой и инфракрасной (ИК) областях. При l > 1,6 мкм кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, уменьшающихся с ростом частоты по закону [45]:

[дБ/км], (18.14)

где с_к и k_к – постоянные коэффициенты (для кварца k_к = 0,7–0,9 мкм, с_к = 0,9 дБ/км).

Другой существенной в отношении поглощения примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН^–, которой соответствует ярко выраженный максимум поглощения в районе длины волны 1480 нм. Он присутствует всегда, поэтому область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется. В настоящее время наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в ОВ. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света (λ – в мкм).

, [дБ/км], (18.15)

где k_Б = 1,38×10^–23 Дж/К – постоянная Больцмана;

Т = 1500 К – температура затвердевания стекла при вытяжке;

b_к = 8,1×10^–11м²/Н– коэффициент сжижаемости (для кварца);

n₁ – ПП сердечника (равен 1,48–1,50)

К_р – коэффициент рэлеевского рассеяния, который для кварца равен 0,8 [(мкм⁴·дБ)/км] [38, 45].

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого ОВ, определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и ИК-поглощения и составляет 1550 нм.Внутренние потери определяются формулой [45]

, (18.16)

где отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию и ИК-поглощению соответственно.

Общий вид спектральной зависимости собственных потерь для современных ОВ имеет ряд характерных значений: три минимума затухания в трех «окнах прозрачности» 850, 1300 и 1550 нм и пика поглощения на длине волны 1480 нм [45].

Дополнительные кабельные потери (α_к) состоят из суммы [6]:

, (18.17)

где α′₁ – потери из-за приложения к ОВ термомеханических воздействий; α′₂ – потери из-за температурной зависимости ПП материала ОВ; α′₃ – потери на макроизгибах и микроизгибах ОВ; α′₄ – потери вследствие нарушения прямолинейности ОВ; α′₅ – потери из-за кручения ОВ относительно его оси; α′₆ – потери из-за неравномерности покрытия ОВ; α′₇ – потери из-за потерь в защитной оболочке ОВ [44].

Под макроизгибами понимают все макроскопические отклонения оси ОВ от прямой. Они возникают из-за изгибов кабеля при его намотке на барабан на заводе-изготовителе, при прокладке и монтаже кабеля.

Под микроизгибами понимают случайные микроскопические искривления, сопровождающиеся местными смещениями оси ОВ на несколько микрометров. Микроизгибы могут вызывать значительные потери на излучение и взаимодействие мод, поэтому при изготовлении оптических кабелей внимательно следят за уменьшением микроизгибов.

Затуханием разъемного оптического соединения называются потери оптической мощности, которые вносятся им в ВОЛС. Для распространённых типов соединителей с физическим контактом среднее значение вносимого затухания составляет до 0,2 дБ, а максимальное до 0,3 дБ.

Другим важнейшим оптическим параметром является величина обратного отражения, которое особенно велико в случае, если торцы ОВ в разъёмном соединении разделены воздушным зазором. Тогда оптический сигнал отражается от торца ОВ (до 4 % передаваемой мощности) вследствие разности ПП сердцевины ОВ и воздуха (френелевское отражение). Для устранения этого зазора между соединяемыми ОВ используется закругление торцов ОВ при полировке с радиусом кривизны 10–25 мм. ОВ соприкасаются только выступающими частями в точке расположения их сердцевин. Плоские прижатые концы ОВ не используются, так как получить идеально плоские параллельные торцы очень трудно.

Большинство современных разъёмных ОС имеет керамический наконечник, закреплённый на пружине и обеспечивающий физический контакт ОВ с фиксированным прижимающим давлением. Такая конструкция позволяет избавиться от воздушного зазора, достигая физического контакта ОВ без риска их повреждения.

Потери мощности оптического сигнала из-за различия апертур соединяемых ОВ происходят в том случае, если апертура передающего ОВ больше апертуры принимающего [38]. Поверхность скола торца ОВ должна быть гладкой, не иметь дефектов в виде трещин и царапин. Некачественная полировка торцов ОВ, трение, возникающее при многократном переподключении соединителей, может привести еще к потерям, связанным с рассеянием на микротрещинах. Обычно суммарные потери в соединителе составляют до 0,3–0,4 дБ для одномодового ОВ.

При достаточно больших мощностях могут возникнуть нелинейные процессы, при которых параметры материала изменяются в зависимости от величины мощности, распространяющейся в данном материале. В результате может появиться вынужденное комбинационное рассеяние, направленное в сторону распространения ЭМВ. Другой причиной нелинейного рассеяния может являться вынужденное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна. Это явление вызвано тем, что, когда мощность выше некоторого порога, нелинейные процессы приводят к переходу мощности первичных волн в излучение других длин волн. Этот вид излучения в основном направлен назад [44, 45]. Данные нелинейные эффекты ограничивают мощность излучения, вводимую в ВОЛС.

Современные ОВ имеют малое удельное затухание (порядка 0,2 дБ/км), и допустимая длина участка ВОЛС без регенерации определяется чаще всего допустимой дисперсией. Следует также отметить, что современные технологии позволяют получать различные законы поведения дисперсии в ОВ, что позволяет, комбинируя участки ОВ с противоположными характеристиками дисперсии, добиваться практически полной компенсации искажений световых импульсов [38, 45].

В диэлектрическомволноводе ЭМВ распространяется по тому же принципу, что в ОВ, но второй средой (оболочкой) является воздух (e₂ = 1).

Линия Губо (однопроводная линия) имеет форму поперечного сечения, аналогичную показанной на рис. 18.2, но вместо сердечника ОВ (e₁) используется проводник (цилиндрической формы), покрытый слоем диэлектрика (e₂), оболочка обычно не используется. ЭМВ распространяются вдоль ЛП, попеременно переходя из диэлектрика в окружающее воздушное пространство и обратно, образуя поверхностную волну. Как было отмечено ранее (тема 9), напряженность ЭМП поверхностной волны быстро убывает при удалении от оси ЛП, поэтому практически вся энергия распространяется вдоль ЛП внутри воображаемого цилиндра.

Список рекомендуемой литературы:[2, с. 292–322; 5, с. 122–136; 6, с. 177–184, 263–270; 7, с. 175–208; 9, с. 252–283, 285–289, 10, с. 258–288; 11, с. 275–286; 16; 17, с. 283–306; 27–30, 38–45, 50].

Контрольные вопросы и задания

1. Опишите конструкцию и принцип работы диэлектрического волновода.

2. Опишите конструкцию и принцип работы световода.

3. Какое физическое явление положено в основу работы световода и диэлектрического волновода?

4. Назовите основные разновидности ОВ.

5. Какие достоинства имеет градиентный световод?

6. Чем отличаются характеристики одномодовых и многомодовых ОВ?

7. Назовите основные виды дисперсии в световодах.

8. Дайте рекомендации для уменьшения дисперсии в ВОЛС.

9. Опишите принцип работы линии Губо, планарных волноводов.

10. Дайте сравнительную характеристику основных типов ЛП поверхностных волн. Какие типы волн являются основными в данных линиях?

11. Сравните характеристики этих ЛП с характеристиками ЛП других классов.