Послідовність виконання роботи. 1. Ознайомитись з фізичними умовами передачі енергії лазерного випромінювання по оптичному світловоду.

1. Ознайомитись з фізичними умовами передачі енергії лазерного випромінювання по оптичному світловоду.

2. Вивчити структуру оптичного волокна та виміряти за допомогою мікроскопа діаметр серцевини і оболонки.

3. Ввести лазерне випромінювання у волокно і досягти максимальної інтенсивності випромінювання на другому боці волокна. Встановити оптимальні відстань та кут між лазером і світловодом.

4. Виміряти величину втрат в оптичному волокні

5. Скласти протокол і зробити висновки по роботі.

 

Загальні відомості

Відбиття і заломлення світла. Найважливішим оптичним параметром матеріалу є його показник заломлення. По хвильовій теорії світла показник заломлення матеріалу (n) виражається через відношення швидкості світла у вакуумі (c) до швидкості світла в середовищі даного матеріалу (V) або оптичної довжини хвилі у вакуумі (l_в) до довжини хвилі в матеріалі (λ_м):

n = c / V (6.1)

n = λ_у / λ_м (6.2)

Оскільки n > 1 для усіх відомих речовин, світло поширюється в матеріалі повільніше, ніж у вакуумі. Типові значення показників заломлення матеріалів, використовуваних в оптоволокні, приведені в табл. 6.1.

 

Таблиця 6.1. Показники заломлення матеріалів оптоволокна.

Матеріал	Довжина хвилі у вакуумі, нм	Показник заломлення	Довжина хвилі в матеріалі, нм
		1,4525	585,5
Стекло		1,4469	898,5
		1,4440	1073,4
GaAlAs		3,6	236,1
Пластик		1,41,5

 

З формул (6.1), (6.2) і значень, приведених у табл. 6.1, видно, що показник заломлення скла змінюється в залежності від його складу. Основні поняття, використовувані під час обговорення механізму заломлення, ілюструє рис. 6.1. На всіх трьох видах малюнка границя поділу проходить між двома середовищами з показниками заломлення n₁ і n₂, причому n₁ > n₂.

Розглянемо випадок заломлення світлового променя при переході з одного середовища в інше (рис.6.1, а). Кутом падіння називається кут між перпендикуляром до границі поділу двох середовищ і падаючим променем (θ₁). На границі поділу частина світла відбивається назад (відбиття Френеля). Кутом відбиття називається кут між перпендикуляром до границі поділу двох середовищ і відбитим променем. Частина світла, що залишилася, перетинає границю поділу, утворюючи заломлений промінь, що поширюється під кутом θ_2. Відповідно до закону Снелліуса між кутом падіння і кутом заломлення існує наступне співвідношення:

n ₁ sin (θ₁₎ = n ₂ sin (θ₂₎ (6.3)

Якщо кут падіння θ₁ збільшується, то при його визначеному значенні заломлений промінь цілком зникає (θ₂=90°). Такий кут називається критичним кутом ковзання θ_с (рис.6.1,б):

θ_с = arcsin (n ₂ / n ₁) (6.4)

 

Рис. 6.1. Відбиття і заломлення світла на границі двох середовищ

 

При кутах, більше критичного (рис.6.1, в), світло цілком відбивається і в друге середовище не проникає, а інтенсивність відбитого променя дорівнює інтенсивності падаючого. Це явище називається повним внутрішнім відбиттям.

При розрахунку характеристик реального поширення світла в оптоволокні використовується величина числової апертури (NA). Ця величина тісно зв'язана з умовою повного внутрішнього відбиття і хвильового поширення світла в оптоволокні. Вона визначає кутовий растр вхідного конуса (рис. 6.2), що відповідає максимальному куту уведення світла в оптоволокно:

NA = sin θ, (6.5)

де θ – половина кута введення.

Величина NA — важливий технологічний параметр, тому що чим більше значення NA, тим краще світло вводиться в оптоволокно. При малих значеннях NA уводиться досить вузько спрямований промінь світла.

 

Рис.6.2. Вхідний конус при уведенні світла в оптоволокно	Рис.6.3. Структура оптичного волокна

Пристрій оптичного волокна. Оптичне волокно (рис. 6.3) складається з двох концентричних шарів: сердечника (ядра) і оптичної оболонки, що мають показники заломлення відповідно n₁ і n₂. Ядро й оптична оболонка можуть бути виготовлені з одного матеріалу (наприклад, особливо чистого кварцового скла), зміна показника заломлення при цьому досягається підбором спеціальних добавок, що вводяться в чистий розплав кварцу. Цей процес називається легуванням. Як легуючу речовину найчастіше виступають окисли германія (Ge₂), фосфору (P₂O₅), бора (B₂O₃), фтор (F), ербій (Er) і неодим (Nd). Зокрема, фтор і окис бора зменшують показник заломлення, а окис германія й окис фосфору його збільшують. Навколо оптичної оболонки з метою запобігання від зовнішніх впливів на оптичні властивості оптоволокна (волога, подряпини, мікротріщини), наносяться два шари полімеру (акрилат). Ядро оптоволокна також може бути виготовлене зі скла, а оптична оболонка з пластику (PCS-оптоволокно). Показник заломлення сердечника n₁ більше показника заломлення оптичної оболонки n₂. Чисельна різниця показників заломлення невелика — порядку одного відсотка. Найбільш розповсюджені співвідношення діаметрів сердечника й оптичної оболонки приведені в табл. 6.2.

 

Таблиця 6.2 – Співвідношення діаметру сердечника та оболонки.

Сердечник, мкм	Оптична оболонка, мкм
62,5

 

При наведенні значень цих величин для конкретного оптоволокна використовується запис, в якій після чисельного значення діаметра сердечника через «/» вказується значення діаметра оптичної оболонки. Наприклад, оптоволокно для мережного устаткування фірми Hirschmann має маркірування 62,5/125.

При уведенні світла усередину волокна під кутом, більшим критичного, світло, зазнає повне внутрішнє відображення, буде рухатися зигзагоподібно уздовж сердечника оптоволокна. Промені, які при русі пересікають вісь світловода, називаються меридіональними. Частина променів, що називаються косими (асиметричними), буде рухатися по спіралевидній траєкторії, не перетинаючи вісь волокна; при аналізі волоконно-оптичних процесів вони, як правило, не враховуються. Використовувані матеріали, склад і розміри компонентів визначають фізичні параметри й особливості оптоволокна.

Під основними параметрами оптоволокна розуміють профіль показника заломлення, число мод, втрати оптичної потужності.

Профіль показника заломлення. Розподіл значень показника заломлення уздовж діаметра поперечного переріза оптичного волокна називають профілем показника заломлення. Розрізняють оптичні волокна:

- зі ступінчастим профілем, коли сердечник і оптична оболонка мають однорідний (але різний) показник заломлення;

- з градієнтним профілем, коли показник заломлення сердечника плавно зменшується від центра до країв. У градієнтних волокон відсутня різка зміна показника заломлення на границі ядра й оптичної оболонки, що характерно для ступінчастого профілю. Найчастіше в градіентних світловодів профіль показника заломлення близький до параболи, такі світловоди називають параболічними.

Для оптимізації роботи на якій-небудь одній довжині хвилі використовується і більш складна структура профілю (рис. 6.4).

Моди. Розгляд рівнянь Максвелла, що визначають характер поширення світла в оптоволокні, показує, що у волокні може поширюватися обмежене число типів електромагнітних коливань, називаних модами. Кожна мода має характерні для неї структуру електромагнітного поля, а також фазова і групова швидкість. Під фазовою швидкістю розуміється швидкість переміщення фази хвилі, а групова швидкість визначає швидкість переносу енергії електромагнітною хвилею.

Для електромагнітних хвиль, що вільно поширюються обидві швидкості еквівалентні і рівні швидкості світла, у той час як для електромагнітних хвиль, що переміщаються в оптоволокні, величини фазової і групової швидкості різні і залежать від частоти коливань, матеріалу оптоволокна і його геометричних параметрів. Наслідком впливу цих факторів є дисперсія. Розрізняють наступні види дисперсії:

- матеріальну (молекулярну) дисперсію, обумовлену залежністю показника заломлення матеріалу світловоду від довжини хвилі випромінювання;

- волноводну дисперсію, обумовлену довжиною хвилі в оптичному хвилеводі і фактично залежну від сукупності таких геометричних параметрів оптоволокна, як відхилення від круглої форми перетину, зміна діаметра, неспіввісність ядра й оболонки, зміна показника заломлення по довжині оптоволокна і т.п.;

- міжмодову дисперсію, що є результатом різної швидкості поширення мод у багатомодовому волокні.

 

Рис. 6.4. Профілі показників заломлення для одномодового волоконного світловода: а – ступінчастий, б – з низьким ступенем заломлення, в – W-подібний, г – трикутний, д – сегментний.

 

Моди характеризуються тим, що після двох послідовних перевідображень від границі сердечника й оптичної оболонки їхні електромагнітні поля опиняються у фазі. Якщо ця умова не дотримується, то спостерігається інтерференція хвиль і вони гасять одна одну.

Будучи одним з можливих рішень рівняння Максвелла, мода виступає як математичне поняття, що визначає таку фізичну характеристику, як режим роботи оптоволокна.

Розрізняють одномодовий і багатомодовий режими роботи волоконно-оптичних ліній зв'язку. Умовою одномодового режиму, у якому по оптоволокну поширюється одна основна мода, є виконання нерівності:

F = (2π ^. NA ^. r / λ₀₎ < F_отс, (6.6)

де λ₀ — робоча довжина хвилі, r – радіус сердечника, F – нормоване значення робочої частоти, F_отс — нормоване значення частоти відсічення (частоти, що відповідає граничному значенню довжини хвилі даної моди). Величина F_отс = 2,405 для світловодів зі ступінчастим профілем і F_отс = 3,53 у випадку параболічного профілю.

Величину NA можна знайти з вираження:

, (6.7)

де n₁ і n₂ – показники заломлення сердечника й оптичної оболонки.

Умова, визначена нерівністю (6.6), необхідна, але недостатня.

Крім її, повинна виконуватися наступна рівність:

(6.8)

Якщо нерівність (6.6) не виконується, у світловоді встановлюється багатомодовий режим. У цьому випадку число мод приблизно дорівнює N = F^2/2 для світловода зі ступінчастим профілем і N = F^2/4 у випадку градієнтного профілю. Характер поширення світла в багатомодовому і одномодовому волокні для різних профілів показника заломлення пояснюється на рис. 6.5.

а)   б)     в)

Рис. 6.5. Поширення світла в багатомодовому і одномодовому волокнах для різних профілів показника заломлення: а – багатомодове волокно зі ступінчатим профілем показника заломлення, б - одномодове волокно зі ступінчатим профілем показника заломлення, в - багатомодове волокно із градієнтним профілем показника заломлення

 

Розглянемо характерне для багатомодового волокна явище міжмодової дисперсії. При введенні променя в оптичне волокно шлях поширення від початку до кінця волокна для різних мод різний. Це обумовлює різний час поширення мод, що переносять енергію первинного сигналу, і перерозподіл вихідної сумарної енергії в заданому відрізку часу. У результаті, якщо імпульс світла на вході оптоволокна мав яскраво виражені фронт і зріз сигналу, то на виході одержуємо істотно «розмитий» сигнал зі згладженими фронтом і зрізом. Це «розмивання» сигналу обумовлено міжмодовою дисперсією і виявляється тим сильніше, ніж довше лінія зв'язку. Міжмодова дисперсія обмежує пропускну здатність волокна, тому що при підвищенні частоти вхідного сигналу (послідовність коротких імпульсів) розмиті краї зрізу одного імпульсу починають перекриватися розмитим фронтом наступного, ведучи до втрати інформативності сигналу (рис. 6.6).

а) б) в)

Рис. 6.6. Перекручування переданого сигналу внаслідок міжмодової дисперсії: а – сигнал на вході, б – вихідний сигнал з допустимими перекручуваннями, в- вихідний сигнал з перекручуваннями, що приводять к втраті інформації.

 

Незважаючи на велику дисперсію, багатомодове оптоволокно зі ступінчастим профілем показника заломлення є дуже розповсюдженим у силу більш низьких вимог до технологічного устаткування для його виробництва і використовуваному матеріалові. Дане волокно може мати сердечник зі скла й оптичну оболонку з полімеру (PCS) або бути цілком виготовленим із пластику. Для волокна з градієнтним показником заломлення величина міжмодової дисперсії істотно менше. Це відбувається завдяки властивості світла поширюватися швидше в середовищі з меншим показником заломлення: велику частину шляху перевідбиті промені проходять через області перетину оптоволокна з меншим показником заломлення, тому на виході оптоволокна вони з'являються майже одночасно з променями, що поширювалися уздовж осі через область з максимальним значенням показника переломлення. Градієнтне оптоволокно широко використовується при побудові локальних мереж і в комунікаціях, що вимагають широкої смуги пропущення, наприклад, при передачі відеозображення. При цьому найбільш розповсюджені значення відношення діаметра ядра до діаметра оптичної оболонки складають 50/125, 62,5/125. Для багатомодового світловода важливою характеристикою є також ширина смуги пропущення волокна в перерахуванні на кілометр його довжини, що називається коефіцієнтом широкополосності. Наприклад, величина цього коефіцієнта, рівна 600 МГц·км (стандартне багатомодове волокно фірми Siemens для довжини хвилі до 1300 нм) говорить про те, що на відстань у 1 км може бути переданий сигнал у смузі частот до 600 МГц або на відстань 2 км — у смузі до 300 МГц, тобто добуток довжини лінії передачі на ширину смуги частот сигналу повинне бути величиною, меншою або рівною коефіцієнтові широкополосності. Для одномодового волокна істотним є інший вид дисперсії матеріальна дисперсія (або молекулярна). Якщо згадати формулу (6.2), то очевидно, що для різних довжин хвиль (для джерел випромінювання характерна визначена ширина спектра для заданого значення робочої частоти) показник заломлення також різний. Таким чином, навіть у рамках однієї моди швидкість поширення в оптоволокні для різних значень частот спектра робочої частоти різна.

Цей вид дисперсії присутній й у багатомодовому оптоволокні, але їм, у порівнянні з міжмодовою дисперсією, можна зневажити.

Ще один вид дисперсії — волноводна дисперсія — так само є істотною для одномодового волокна. Власне кажучи цей вид дисперсії зв'язаний з тим, що помітна частина оптичної потужності (до 20% від загальної потужності) поширюється по оптичній оболонці, що має відмінний від ядра показник заломлення, що робить її швидкість іншою, чим при поширенні в ядрі. Сумарну дисперсію, що включає в себе матеріальну і волноводну, називають хроматичною дисперсією. Хроматична дисперсія позначається як D (λ) і виражається в одиницях пс/(нм ^. км). Для одномодового волокна, на відміну від многомодового, де оперують поняттям коефіцієнта широкополосності, специфікація хроматичної дисперсії необхідна. Типове значення для стандартного одномодового волокна: D (1310 нм) <1,8 пс/(нм ^. км). Приблизна оцінка ширини смуги пропущення (BW) через величину одномодовой дисперсії може бути отримана з вираження:

B_W = 0,187 / (D(λ) ^. S_W ^. L), (6.9)

де S_W — ширина спектра випромінювача, нм, L — довжина волокна км.

З приведених виражень (6.6) і (6.8) добре видні основні технологічні шляхи рішення питання одержання одномодового режиму: це зменшення діаметра сердечника, зменшення різниці показників заломлення сердечника й оптичної оболонки, збільшення довжини хвилі джерела випромінювання. Реально компроміс варто шукати тільки між першими двома параметрами. Зі збільшенням діаметра поліпшуються умови для введення підвищеної потужності й умови зчленування відрізків волокна, одночасно з цим необхідно вибирати мале значення різниці показників заломлення ядра й оптичної оболонки, що, у свою чергу, приводить до погіршення поширення основної моди і підвищеної чутливості до зовнішніх впливів (наприклад вигинам). При великій різниці показників заломлення сердечника й оболонки маленький діаметр сердечника підвищує вимоги до точності стикування відрізків волокна. У сучасних одномодових волокнах діаметр сердечника складає 6…10 мкм, а різниця показників заломлення n₁ – n₂ = 0,003...0,005. Одномодовий режим роботи для заданої довжини хвилі реалізується при діаметрі волокна, порівнянному з довжиною хвилі. Усе це приводить до того, що світловий пучок відбиває від поверхні сердечника рідше, викликаючи меншу дисперсію. У результаті одномодове волокно в порівнянні з многомодовим має істотно менший коефіцієнт загасання і велику пропускну здатність (на сьогоднішній день по грубій оцінці більш 10 Гбит/с проти 2,5 Гбит/с), але саме одномодове волокно, а також відповідні приймачі і передавачі коштують дорожче, ніж багатомодові.

Втрати в оптичному волокні. Втрати оптичної потужності (або загасання) є результатом поглинання світла матеріалом світловода, розсіювання в місцях мікро- і макровигинів, а також відображення на кінцях світловода. Коефіцієнт загасання, що відображає втрати оптичної потужності, позначається α і виміряється в дБ/км. Величину втрат оптичної потужності в оптоволокні можна розрахувати зі співвідношення (6.10), що носить назву закону Бугера:

P_L = P₀ e ^–αL. (6.10)

де P_L — величина втрат потужності на довжині L, P ₀ — величина введеної потужності.

З огляду на те, що потужність на виході оптоволокна менше, ніж на вході, значення втрат, виражене в децибелах, буде мати знак мінус. Для сучасних типів одномодового оптоволокна величина коефіцієнта загасання при довжині хвилі 1,3 мкм лежить у діапазоні 0,4...0,45 дб/км. Для многомодового волокна величина коефіцієнта загасання при тій же довжині хвилі складає 0,6...1,0 дб/км.

Поглинання в оптичному матеріалі визначає частку енергії хвилі, преутворену в теплову енергію. Під поглинанням у матеріалі оптоволокна розуміється поглинання світла залишковими домішками в кварцовому склі. У кварцового скла це виявляється в наявності смуг у частотному спектрі поглинання в області довжин хвиль 725, 875, 950, 1125, 1225 і 1370 нм, що відповідають гармонікам фундаментальної частоти коливань міжатомного зв'язку в гідроксильних іонах OH^– і частоті коливань зв'язку Si-O. Концентрація іонів OH^– один на мільярд дає втрати 1 дб/км при довжині хвилі 950 нм і близько 3 дб/км при 1225 нм. Шлях рішення цієї проблеми очевидна — дегідратація матеріалу, що зменшує число гідроксильних іонів OH^–. Інші види поглинання викликані залишковими домішками перехідних металів, наприклад іонами Fe3+ і Cr2+. Поглинання світла в кварцовому склі викликається і легуючими домішками, що додаються в скло для зміни показника заломлення. Розсіювання визначає частина оптичної енергії, що перевипромінюється в напрямку, відмінному від первісного. Розсіювання світла викликане присутністю в склі мікроскопічних неоднорідностей і зміною величини щільності самого матеріалу (кварцу). Це явище описується як релеєвське розсіювання, інтенсивність якого обернено пропорційна довжині хвилі в четвертому ступені. Неоднорідності з'являються як неминуче зло в процесі виготовлення оптоволокна. Як правило, чим нижче температура осадження склоутворючого речовини, тим менше флуктуації щільності матеріалу. При довжині хвилі 1000 нм утрати за рахунок розсіювання складають порядку 0,75 дб/км. Втрати, викликані мікро- і макровигинами волокна, неминучі всякий раз, коли волокно має відхилення від правильної геометричної форми або не розміщено уздовж прямої лінії. Мікровигини носять випадковий характер і є варіаціями профілю границі ядра й оптичної оболонки, тобто фактично проявом технологічного дефекту. Макровигини є наслідком неправильної прокладки оптоволоконого кабелю. Крім збільшення загасання, при цьому знижується межа міцності кабелю на розрив (максимально припустиме навантаження на розтягання або вигин, що не приводить до ушкодження світловода; для стандартного оптоволоконого кабелю фірми Siemens — до 800 Н при короткочасному впливі).

Втрати, зв'язані з відображенням на кінцях світловода, обумовлені відображенням Френеля. Існує фундаментальна відмінність між оптичним кабелем і мідним (крученої пари, коаксиал): у випадку мідного провідника втрати в лінії пропорційні збільшенню частоти переданого сигналу, у той час як втрати в оптичному волокні практично постійні для широкого діапазону частот (рис. 6.7).

Окремо хочеться зупинитися на питаннях температурної і радіаційної стійкості оптоволокна. Температурні коливання впливають на абсолютні значення коефіцієнтів заломлення ядра й оптичної оболонки, а отже, і на їхню різницю, що може приводити до порушення умов існування однієї моди і появі додаткових мод. При цьому перерозподіл енергії між модами приведе до втрати потужності основного сигналу. Розходження коефіцієнтів теплового розширення скляного сердечника і полімерної оптичної оболонки збільшує втрати на мікровигинах. Оскільки температурні коливання погіршують міцністні характеристики оптоволокна і кабелю в цілому, діапазон температур, припустимих при прокладці кабелю (–5…+50 ⁰С для кабелів Belden і Siemens), більш вузький у порівнянні з діапазоном робочих температур. Треба підкреслити, що перераховані проблеми, як правило, є наслідком різких перепадів температури, а не стабільно високих або низьких її значень, тому що діапазон робочих температур оптоволоконих кабелів звичайно лежить у границях –40…+70⁰С (наприклад, –30…+70⁰С для кабелів фірми Belden або –25…+60⁰С для кабелів фірми Siemens), що в більшості випадків відповідає необхідним умовам експлуатації.

Радіаційна стійкість — це здатність оптоволокна протистояти дії іонізуючого випромінювання (гама-випромінювання, потоки нейтронів і т.д.). Під дією іонізуючого випромінювання, що змінює структуру скла, оптоволокно «темніє», збільшуючи втрати потужності за рахунок структурної неоднорідності волокна. Величина втрат залежить від типу випромінювання, дози опромінення і часу експозиції. Під впливом радіації відбувається іонізація молекул SiО₂, міграція електронів, міграція легуючих домішок і утворення гідроксильних іонів OH^– з вільного водню. Тривале експонування волокна при низькій інтенсивності опромінення приводить до більш сильного «потемніння», чим та ж доза, отримана за більш короткий час. Після припинення впливу опромінення настає поступове відновлення пропускної здатності волокна. Наприклад, при дії радіоактивного випромінювання 3700 радий протягом 3 нс (умови ядерного вибуху) загасання може досягати 1000 дб/км, і вже через 10 з величина втрат стає менше 5 дб/км. Маються дані, на підставі яких можна зробити наступний висновок: оптоволокно з ядром зі скла з високим змістом гідроксильних іонів OH^– після впливу випромінювання працює краще, тому що іони OH^–, поглинаючи енергію іонізуючого випромінювання, зменшують імовірність утворення дефектів і скорочують час відновлення. У загальному випадку істотними факторами, що впливають на радіаційну стійкість оптоволокна, є тип легуючої добавки в матеріалі ядра, діаметр ядра і тип оптичної оболонки.

 

Зміст протоколу

1. Найменування роботи.

2. Мета роботи.

3. Лабораторне обладнання.

4. Основні теоретичні відомості про поширення світла в оптичному волокні.

5. Значення розрахованих та встановлених величин.

6. Висновки по роботі.

 

Контрольні запитання

1. Поясніть основні схеми відбиття і заломлення світла на границі двох середовищ.

2. Поясніть поняття числової апертури.

3. Опишіть структуру оптичного волокна.

4. Як маркується оптичне волокно?

5. Поясніть поняття „профіль показника заломлення”. Яким він буває?

6. Які види дисперсії існують в оптоволокні?

7. Наведіть умови одномодового та багатомодового поширення хвиль в оптичному волокні.

8. Поясніть явище міжродової дисперсії.

9. Поясніть поняття коефіцієнту широкополосності.

10. Поясніть явище волноводної дисперсії.

11. Наведіть основні технологічні шляхи рішення питання одержання одномодового режиму.

12. За рахунок чого виникають втрати в оптичному волокні?

13. Опишіть різні види зовнішнього впливу на оптичне волокно.

 

 

Лабораторна робота № 7