Загальні фізичні принципи передачі сигналів по волокну - Студопедія
1.1. Будова волокна
Рис.1.1. Будова волокна
Сучасне волокно має двошарову структуру: серцевину діаметром від кількох десятків мікрометрів і зовнішній шар діаметром 125 мкм і більше (рис.1.1). Як буде показано нижче, для нормальної передачі сигналів коефіцієнт заломлення серцевини повинен бути більшим за коефіцієнт заломлення зовнішнього шару: n1 > n2. В українській літературі для позначення зовнішнього шару склалася назва "оболонка", хоча насправді поверх двошарового скла є ще кілька покриттів, які є справжньою ізолюючою оболонкою. У англомовній літературі зовнішній шар скла позначається терміном “cladding” (“кладка”).
Коефіцієнт заломлення у волокні може змінюватися стрибком під час переходу кордону
між оболонкою та серцевиною, і таке волокно називається ступінчастим. Якщо коефіцієнт заломлення в серцевині залишається постійним, а змінюється плавно, наприклад, по параболі, таке волокно називається градієнтним (рис.1.2).
Рис.1.2. Профіль показника заломлення
Коефіцієнт заломлення визначається з формули
де ε і μ – відносні діелектрична та магнітна проникності матеріалу волокна. Так як для скла μ = 1, то n = ε 1/2.
1.2. Апертура волокна
Світло, входячи в волокно з торця під деяким кутом, усередині волокна відчуває
відображення та заломлення (рис.1.3).
Розглянемо, наприклад, хід променя 1. Під кутом φ до вертикалі промінь підходить до межі між серцевиною та оболонкою, де частина світла заломлюється під кутом ψ і переходить в оболонку, а частина відображається і залишаєтьсясерцевини. Якщо ми зменшимо кут θ між променем та віссю волокна (промінь 2), то кут ψ зросте, і заломлений промінь буде поширюватися ближче до поверхні серцевини. Ще більше кут буде у випадку 3, і заломлений промінь в оболонці буде поширюватися майже паралельно поверхні серцевини. При подальшому зменшенні кута входу ? З цього моменту за θ
Якщо маємо повне внутрішнє відображення, то ? = 90?
sin θ кр = (n1 / n0) ∙ (n1 2 - n2 2) 1/2 / n1 = (n1 2 - n2 2) 1/2. Так як цей кут маленький, то
θкр ≈ sin θкр = (n1 2 - n2 2 ) 1/2 = NA (Number Aperture – числова апертура).
Якщо промінь вводиться під кутом, меншим θкр , то всередині волокна існує режим повного внутрішнього відбиття, і промінь повністю поширюється по серцевині волокна, нічого назовні не виходить, при цьому апертура волокна дорівнює
1.3. Поняття дисперсії
При поширенні волокна сигнал відчуває згасання і розтягнення (рис.4).
Рис.1.4. Згасання та розтягування сигналу при розповсюдженні по волокну
Якщо на вході в волокно ми маємо прямокутний імпульс, то після пробігу деякої відстані на виході маємо дзвоновий імпульс, тривалість якого зазвичай визначають на рівні 0.5.
Розмір τ = називається дисперсією сигналу у волокні. Практично це означає розтягнення сигналу після його проходження волокном. Дисперсія має велике значення, оскільки обмежує швидкість передачі сигналів (рис.1.5).
Рис.1.5. Деформація серії сигналів припоширенні по волокну
При великій швидкості (частоті) передачі сигналів в результаті дисперсії сигнали починають зливатися, і передача з частотою понад 1/τ неможлива.
1.4. Розповсюдження світла по волокну
Поширення променів світла по ступінчастому та градієнтному волокнам показано на рис.1.6 та 1.7. Вважатимемо, що обидва промені на цих малюнках відчувають повне внутрішнє відображення. Два промені виходять з однієї точки конусом, що розширюється, і під різними кутами входять в торець волокна. Який із них на рис.1.6 прийде до виходу раніше?
Рис.1.6. Розповсюдження світла по ступінчастому волокну
У ступінчастому волокні швидкість променів у серцевині однакова і дорівнює v = c /n1, де - швидкість світла у вакуумі. Оскільки промінь 1 проходить коротшим шляхом, він до виходу добереться першим; промінь 2 прийде пізніше, і виникне дисперсія сигналу. Розглянемо тепер рис.7: ті самі два промені поширюються по градієнтному волокну. Оскільки коефіцієнт заломлення в серцевині градієнтного волокна постійно змінюється, то промені відчувають безперервне відхилення. При цьому промінь 1 йде
Рис.1.7. Розповсюдження світла по градієнтному волокну
поблизу серцевини, де коефіцієнт заломлення приблизно дорівнює n1 а швидкість поширення v1 = c/n1 . Промінь 2 йде більше по периферії волокна ближче до краю, де коефіцієнт заломлення дорівнює n2 а швидкість поширення v2 ≈ c/n2 . Промінь 1 йде коротким шляхом, зате швидкість його поширення менше, у той час як промінь 2 йде довшим шляхом, але з більшою швидкістю, так як n1 > n2. В результаті обидва промені до виходу приходять приблизно одночасно, і дисперсія в градієнтному волокні істотно менше, ніж при тому перерізі в ступінчастому волокні.
1.5. Концепція моди.
Світловахвиля у просторі має певну довжину хвилі, у межах якої змінюються вектори електричного та магнітного поля. Хвиля може мати різні розміри і форму, а так само по-різному орієнтована по відношенню до обраної системи координат середовища поширення, тобто поляризована. Можливе також різне співвідношення між довжиною хвилі та поперечними розмірами середовища розповсюдження. Світло в серцевині волокна може поширюватися лише під певними кутами, коли введені хвилі під час їхнього складання посилюються, і виникає так звана конструктивна інтерференція. Тип хвилі, що характеризується певною просторовою та тимчасовою структурою, який може поширюватися в оптичному волокні, називається модою. Математично дозволені моди можна отримати за допомогою рішень рівнянь Максвелла для оптичного волокна з урахуванням граничних умов. Можна сказати також, що мода – це власна хвиля, що має поперечний розподіл поля незалежно від напряму розповсюдження. У разі волокна найпростішою модою є хвиля з поздовжніми лініями електричного поля, розташованими вздовж волокна (рис.1.8) та лініями магнітного поля, які є концентричними колами в перерізі волокна.
Рис.1.8. Найпростіший випадок розміщення моди у волокні
Лінії електричного поля вздовж волокна показані пунктиром. З торця волокна лінії електричного поля є лінії, спрямовані в даному випадку до осі волокна. Магнітні силові лінії в перерізі цієї моди є концентричними колами (на кресленні не показані). На рис.1.8 показано як і, як змінюється у разі величина електричного поля вздовж перерізу волокна. Це приклад хвилі, в якому електричне поле поздовжнє, а магнітнепоперечно. Але може бути і навпаки, коли магнітне поле поздовжнє, а електричне поле поперечне. У перерізі може розміщуватися кілька періодів (див., наприклад, рис.1.9), і хвиля може бути (в більшості випадків) гібридною, коли є поздовжні і поперечні складові електричного і магнітного полів.
Рис.1.9. Приклад моди.
Важливо, що кількість напівперіодів, що розміщуються в перерізі волокна, має бути цілим. Не може існувати мода з цілим числом напівперіодів у перерізі волокна. Така мода розпадеться на моди із меншою величиною напівперіоду. Зазвичай у волокні можуть існувати безліч мод. Якщо зменшувати діаметр волокна, можна дійти такого розміру, як у волокні залишиться лише одна мода з цієї довжиною хвилі. Таке волокно називається одномодовим.
1.6. Типи волокна.
Таким чином, за профілем коефіцієнта заломлення існують три основні типи волокна: ступінчасте, градієнтне та одномодове. Профілі показника заломлення ступінчастого та градієнтного волокон показані на рис.1.2. Хід кривої показника заломлення градієнтного волокна зазвичай є параболу. Діаметр серцевини багатомодових ступінчастого та градієнтного волокон дорівнює 50 мкм, а повний діаметр волокна 125 мкм. Стандарти допускають виготовлення багатомодових волокон з діаметром серцевини 65 мкм. Одномодове волокно у своєму класичному варіанті є ступінчастим волокном, але діаметр серцевини близько 10 мкм. Одномодове волокно має істотно меншу дисперсію навіть у порівнянні з градієнтним волокном, про що буде розказано в наступному розділі. Стандарти допускають виготовлення волокон з іншими параметрами ряду специфічних випадків, наприклад, оптичних систем літальних апаратів і т.п. Продеяких інших типах волокон, зокрема, про волокна з полімерів, халькогенідні стекла і фотонно-кристалічних буде розказано пізніше.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: