Причины взаимных влияний между оптическими волокнами.

 

Природа взаимных влияний в оптических кабелях и классификация волн.

Рис. 4.10. Типы (а) и эпюры (б) волн в световоде: 1-направляемые (волны сердечника), 2-вытекающие (волны оболочки), 3-излучаемые (пространственные волны)

Для полной оценки свойств любых линий связи и правильного их конструирования необходимо помимо -процессов распространения электромагнитной энергии вдоль линии знать также явления перехода энергии с одной цепи на другую и помехозащищенность цепей от мешающих влияний. Помехозащищенность линий связи от взаимных и внешних помех является важнейшим условием обеспечения качественной и надежной связи на большие расстояния. Мешающие влияния проявляются в виде переходного разговора и шума. Переходные раговоры понижают разборчивость речи, шум оказывает мешающее воздействие.

Волоконные световоды, находящиеся в общем сердечнике оптического кабеля, оказывают мешающее воздействие на соседние световоды в виде помех. Природа взаимных переходных помех в оптических кабелях связана с характеристикой волн,действующих в волоконных световодах. Рассмотрим эти волны.

В общем случае в волоконном световоде могут существовать три типа волн: направляемые, вытекающие и излучаемые. Действие и преобладание какого-либо типа волн связано, в первую очередь, с апертурой и соотношением углов падения волны (φ) и полного ее отражения (θ).

Направляемые волны (волны сердечника) - основной тип волны, - распространяющиеся по световоду. Вся энергия сосредоточена внутри сердечника световода и обеспечивает передачу информации. Направляемые волны возбуждаются при вводе лучей в торец световода под углом, большим угла полного отражения (φ > θ), т. е. внутри апертурного угла.

Излучаемые (пространственные) волны возникают при вводе лучей под углом меньше угла полного отражений (φ < θ), т. е. вне апертуры. В этом случае вся энергия уже вначале линии излучается в окружающее пространство и не распространяется вдоль световода. Это связано с дополнительными непроизводительными потерями энергии.

Промежуточное положение занимают вытекающие волны (волны оболочки). Здесь часть энергии распространяется вдоль световода, а часть ее переходит в оболочку и излучается в окружающее пространство. Вытекающие волны образуются, в первую очередь, за счет косых лучей. Типы волн приведены на рис. 4.10, а, а их эпюры - на рис. 4.10, б.

Таким образом в световодах вдоль всей линии распространяется только направляемая (собственная) волна, передающая энергию по линии. Вытекающие и излучаемые волны действуют лишь на начальном участке линии, затем роль их резко снижается.

Следует иметь в виду, что и при соблюдении угла полного отражения (φ > θ) часть направляемой энергии просачивается в оболочку и распространяется вдоль границы раздела сред в поверхностном слое. Эта просачиваемая волна с удалением от сердечника затухает по экспоненциальному закону и проникает в окружающее пространство.

Просачиваемое через оболочку поле уменьшается по экспоненциальному закону. С увеличением угла падения волны φ поле уменьшается, а при φ = 0 оно максимально.

На рис. 4.11 показано распределение электромагнитного поля в двух соседних волокнах.

Амплитуда напряженности поля спадает по закону экспоненты в поперечном направлении.

Часть поля одного волокна проникает в соседнее волокно и проявляется там в виде помехи.

Методика исследования процессов излучения и взаимных помех между волоконными световодами различна для различных режимов работы световодов. Для одномодового и маломодового режимов передачи (d≈λ) необходимо на основе электродинамики решить систему уравнений связанных волн. Для многомодового режима передачи (d>>λ) можно воспользоваться упрощенными законами геометрической оптики.

Рис. 4.11. Взаимное влияние между световодами, зависимости переходного затухания

Приведенная классификация волн, связанная с вводом луча в торец световода (внутри апертуры φ > θ и вне апертуры φ < θ), относится лишь к прямолинейным световодам регулярной конструкции. В случае скрутки световодов, наличия изгибов и нерегулярно-стей по длине и поперечному сечению световодов появляются все типы волн при любой апертуре и даже при φ > θ.

 

Защищенность от взаимных помех в оптических линиях.

Поле, проникающее через оптическую оболочку и действую щее вне световода, воздействует на соседние световоды и является источником переходных помех. Зная напряженность поля, создаваемого влияющим световодом, определим напряженность переходного поля помех, создаваемого в соседнем световоде.

Учитывая, что соседний световод имеет аналогичную оптическую оболочку, помехи в нем будут испытывать принципиально такое же затухание, как и во влияющем световоде. Однако разница будет в последовательности прохождения лучей различных сред. Во влияющем световоде эта последовательность выражается в виде n1→n2→n3, а в световоде, подверженном влиянию n3→n2→n1. Если для первого световода коэффициент ослабления помех равен N1 то для второго N2 = N1 n3 / n1. Результирующий коэффициент ослабления помех для обоих световодов, равный их произведению, равен N21 n3 / n1.

Кроме того, следует ввести параметр x, характеризующий оптическую связь между световодами. Он может быть выражен через отношение угла излучения α к полной окружности и зависит от расстояния между световодами и их диаметров: х = α /(2π), где α = d/r. Тогда x = d/(2nr), где d - диаметр световода; г - расстояние между центрами влияющего и подверженного влиянию световодов.

При выводе формул для расчета уровня переходных помех необходимо также учесть апертурный угол и соответственно числовую апертуру: .

Для элементарного участка линии dz, находящегося на расстоянии z от начала, можно записать следующее выражение для переходных помех, создаваемых в соседнем световоде (см. рис. 4.11):

Здесь учтено, что напряженность поля вдоль линии меняется по кспоненциальному закону: Ez=E₁₀e^-α1z.

Помехи распространяются к началу и концу второго световода, одверженного влиянию. Интегрируя переходные помехи по длине от 0 до I, получаем:

для ближнего конца:

для дальнего конца:

В формулах  и  характеризуют распространение |переходных помех к началу и концу второго световода. После интегрирования получаем

Имея в виду, что, как правило, оптические кабели комплектуются из световодов с одинаковыми характеристиками α1=α2=α, получаем:

Обычно в линиях связи переходное взаимное влияние учитывается через параметр А - переходное затухание в логарифмических единицах, дБ. При этом переходное затухание на ближнем конце

а переходное затухание на дальнем конце

Соответственно защищенность от помех

На рис. 4.11 показана зависимость переходного затухания от элщииы оболочки. Из рисунка видно, что с увеличением толщины оболочки резко уменьшается излучение и растет переходное затухание. При тонких оболочках переходное затухание составляет всего 30-60 дБ, что приводит к заметным взаимным помехам между волокнами. В реальных оптических кабелях переходное затухание составляет 70-100 дБ и выше.

Частотная зависимость переходного затухания показана на рис. 4.11. Возрастание переходного затухания с увеличением час! ты имеет закономерное физическое объяснение: с ростом часто электромагнитное поле все больше концентрируется в сердечнике световода и меньше проникает в оболочку и окружающее пpoстранство, в результате взаимное влияние уменьшается и переходное затухание растет. При частотах, меньше критической f₀ поле излучается в окружающее пространство, и эффективная передачи по световоду невозможна.

С увеличением расстояния между световодами переходное затухание возрастает по логарифмическому закону. Чем меньше апертурный угол, тем более полого распространяется луч и выше переходное затухание оптического кабеля.

В оптическом кабеле обычно под общей наружной оболочкой размещается большое число волоконных световодов. Поэтому на надо учитывать также влияние соседних окружающих волокон.

Следует иметь в виду, что приведенные формулы справедливы для прямолинейных световодов регулярных конструкций. Имеющиеся в реальных условиях неоднородности могут существенна увеличить взаимные помехи и снизить переходное затухание.

Для уменьшения эффекта излучения энергии, и снижения взаимных помех в волоконно-оптических кабелях проводятся следующие мероприятия.

1. Увеличивается толщина оболочки и применяется  покрыли из поглощающего материала, которое одновременно выполняем роль механической защиты волоконного световода.

2. При конструировании трехслойного волоконного световода сердечник-оболочка-покрытие соблюдаются следующие соотношения между показателями преломления слоев: n1>n2>n3. В этом cлучае ослабевают вытекающие волны и уменьшаются взаимные переходные помехи. В качестве покрытия целесообразно использовать пористый материал с малым значением n3.

3. Поскольку взаимные влияния волоконных световодов зависят от их взаимного расположения (чем ближе расположены световоды и плотней соприкасаются между собой, тем больше влияния, то стремятся по возможности удалить волокна друг от друга.

4. При расчете взаимных влияний в оптических кабелях исходят из того, что при повивной и гексаганальной скрутках внутренние световоды испытывают влияние всех окружающих световодов, в то время как световоды, расположенные во внешнем повиве, - в основном лишь трех соседних световодов.

5. Добиваются максимальной однородности светового тракта.