Параметры оптических волокон

2.5.1. Геометрические и оптические параметры оптических волокон

Основными геометрическими параметрами ОВ являются: диаметр сердцевины; диаметр оболочки; диаметр защитного покрытия; некруглость (эллиптичность) сердцевины; некруглость оболочки; неконцентричность сердцевины и оболочки.

Некруглость сердцевины ОВ определяется как разность максимального и минимального диаметров сердцевины, деленная на номинальный диаметр сердцевины, и определяется только в многомодовых волокнах, некруглость оболочки — в многомодовых и одномодовых волокнах. Некруглость сердцевины ОВ (рис 2.25 а) определяется из выражения:

(2.64) где Н_­с — некруглость сердцевины, %; d_макс, d_мин — наибольший и наименьший диаметр сердцевины, мкм, соответственно; d_н — номинальный диаметр сердцевины, мкм.

Некруглость оболочки ОВ определяется аналогично.

Неконцентричность сердцевины относительно оболочки определяется как расстояние между центрами оболочки и сердцевины ОВ (рис. 2.25 б) и определяется из выражения:

(2.65)

где Н_с/о — неконцентричность сердцевины относительно оболочки, мкм; Ц_с — координаты центра сердцевины, мкм; Ц_о — координата центра оболочки, мкм.

Геометрические параметры стандартизированы для разных типов ОВ [9, 10, 11, 12, 13].

Поэтому остановимся более подробно на оптических параметрах ОВ.

Основными оптическими параметрами волокна являются:

• относительная разность показателей преломления (Δ);

• числовая апертура(NА);

• нормированная частота (v);

• число распространяющихся мод (М);

• диаметр модового поля (d_мп);

• длина волны отсечки (критическая длина волны λ_кр).

Относительная разность показателей преломления. Относительная разность ПП сердцевины и оболочки ОВ определяется выражением (2.12).

Числовая апертура. Одной из основных характеристик, определяющих условия ввода оптических сигналов и процессы их распространения в ОВ, является числовая апертура, определяемая для:

• оптических волокон со ступенчатым ППП

(2.66)

• оптического волокна с градиентным профилем ППП

(2.67)

В градиентных ОВ используется понятие локальной числовой апертуры. Ее значение

максимально на оси волокна и равно 0 на границе раздела сердцевина — оболочка.

Нормированная частота. Этот параметр, определяющий число мод, равен:

(2.68)

где λ — длина волны, мкм.

Если 0<v<2,405, то режим работы волокна одномодовый, если v>2,405 — многомодовый. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и тем меньшее расширение получают оптические импульсы. Соответственно увеличивается коэффициент широкополосности ОВ. Таким образом, одномодовое (ООВ) может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое (МОВ).

Число мод в многомодовом оптическом волокне. Общее число мод в МОВ с диаметром сердцевины 2а, заданной числовой апертурой на рабочей длине волны λ определяется через нормированную частоту выражением вида:

(2.69)

В расчетах М может оказаться дробным числом, в то время как число мод в волокне бывает только целым и составляет от одной до тысячи мод. В волокне с градиентным ППП и теми же значениями диаметра сердцевины, показателей преломления п₁ и п₂ число мод примерно в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым ППП. Количество мод (с учетом всех вырожденных мод) в случае ступенчатого ППП (2.2) определяется выражением вида:

(2.70)

где u — показатель степени, описывающий изменения ППП.

Диаметр модового поля в ООВ. Важным интегральным параметром ООВ является диаметр модового поля. Этот параметр используется при анализе одномодовых волокон.

В многомодовых ОВ размер сердцевины принято оценивать диаметром (2а), в одномодовых волокнах — с помощью диаметра модового поля (d_МП). Это связано с тем, что энергия основной моды в ООВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее приграничную область. Поэтому d_МП более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды. Величина d_МП является важной при стыковке волокон между собой, а также при стыковке источника излучения с волокном.

В [14] показана зависимость распределения интенсивности (мощности) излучения основной моды одномодового волокна в ближней зоне от радиуса (рис.2.26). Эта зависимость аппроксимируется с достаточной степенью точности формулой Гаусса:

(2.71)

где J(r) — интенсивность излучения на расстоянии r от оси ООВ; J₀ — интенсивность излучения на оси ООВ (при r=O); W_o — радиус модового поля, т. е. значение радиуса, при котором интенсивность излучения составляет 1/е² = 0,35J₀ .

Согласно [6, 15] радиус поля моды W_o в микрометрах определяется при известных значениях v и а=d_c/2 из соотношения

или

(2.72)

Тогда искомое значение диаметра модового поля равно d_МП=2W₀.

Длина волны отсечки в ООВ. Минимальная длина волны, при которой ОВ поддерживает только одну распространяющуюся моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для ООВ. Если λ_кр меньше, чем длина волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света.

Согласно [10] различают длину волны отсечки в волокне λ_с и длину волны отсечки в волокне λ_с и длину волны отсечки в проложенном кабеле λ_сс. Первая (λ_с) соответствует слабо напряженному волокну и для ступенчатого ООВ она определяется выражением вида:

(2.73)

Длина отсечки в проложенном кабеле λ_сс соответствует напряженному ОВ. На практике ОВ в проложенном или подвешенном на опорах кабеле имеет большое число изгибов. Кроме того, сильные искривления имеются в ОВ, уложенных в кассеты муфт и промежуточных соединителях на объектах связи (сплайс-боксах). Все это ведет к подавлению побочных мод и сдвигу λ_сс в сторону коротких длин волн в сравнении с λ_с. Разницу между λ_сс и λ_с можно оценить только экспериментальным путем.