Физические процессы в ОВ

В качестве направляющих систем ВОЛП современных сетей связи применяются оптические волокна (ОВ), которые состоят из сердцевины, обо-лочки, поверх которой наложено первичное защитное упрочняющее пок-рытие (ПЗУП) из эпоксиакрилата. Структура ОВ представлена на рисунке 1.

а)	б)
1 – сердцевина; 2 – оболочка; 3 – внутренний слой защитного покрытия; 4 – наружный слой защитного покрытия. Рисунок 1. Структура ОВ: а) одномодовое б) многомодовое

Сердцевина – служит для передачи электромагнитной энергии. Оболочка – служит для создания лучших условий отражения на границе сердцевина – оболочка и защита от помех из окружающего пространства. ПЗУП наносится в процессе изготовления волокна и служит для защиты оболочки волокна, предотвращает рост микротрещин. Чтобы обеспечить условие полного внутреннего отражения необходимо выполнить условие:

n₁>n₂,

где n₁ – показатель преломления сердцевины,

n₂ – показатель преломления оболочки.

Разность показателя преломления сердцевины и оболочки определяется по формуле (1):

(1)

В световоде, учитывая, что границей раздела сред сердцевина – оболочка является прозрачное стекло, возможно, не только отражение опти­ческого луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения пе­рехода энергии в оболочку и излуче­ния в окружающее пространство не­обходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения.

На рисунке 2,а луч входит в сердцевину ОВ, пересекая его ось под углом q_А (или под углом больше апертуры), таким, что угол его падения на границу раздела сердцевина-оболочка равен предельному углу полного внутреннего отражения φ₀. Чем больше угол падения волны (φ_n>θ_в), тем лучше условия распространения и быстрей волна при­дет к приемному концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердцевине световода и практически не излучается в окружающее простран­ство.

а) луч в пределах апертурного угла

б) луч выходит за апертурный угол.

θ – апертурный угол; φ_п – угол падения;

φ₀ – угол отражения; φ_пр – угол преломления.

Рисунок 2. Принцип действия волоконного световода

Если условия полного внутреннего отражения не выполняются, то каждый раз при падении луча на границу раздела имеет место преломление и часть переносимой им энергии оптического излучения уходит в оболочку (рисунок 2,б), как следствие, энергия достаточно быстро затухает.

Апертура – это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода ОВ, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. Апертура характеризует условия ввода и распространения оптического излучения в ОВ.

(2)

где n₀, n₁, n₂ – показатели преломления воздуха (n₀=1), сердцевины, оболочки.

Важнейшим обобщенным параметром волоконного световода, исполь­зуемым для оценки его свойств, является нормированная частота V (3).

(3)

Число волн, распространяющихся по световоду рассчитывается по формуле (4):

(4)

Критическая частота для волн НЕ₂₁ (Р_nm=2,405) рассчитывается по формуле (5):

(5)

Имея в виду, что по световоду может распространяться большое число различных типов волн, в формулы f₀ и λ₀ следует ввести параметр P_mn, характеризующий тип волны.

Критическая длина волны рассчитывается по формуле (6):

(6)

Минимальные значения затухания одномодовых ОВ определяются

факторами потерь, к которым относят потери на рассеяние и поглощение.

Часть оптического излучения, рассеянного в сердцевине, распространяется вперед, часть – назад, а оставшаяся часть уходит в оболочку, что и обусловливает потери передаваемой оптической мощности – потери Рэлеевского рассеяния. Потери из-за Рэлеевского рассеяния a_р, обратно пропорциональны длине волны в четвертой степени (7):

(7)

где k_р – коэффициент Рэлеевского рассеяния, k_р = 1,5 мкм⁴.

Затухание за счет поглощения α_п связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала световода tgδ (8):

αп = π · n1 · tgδ/λ

(8)

где tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ = 10^-10.

Дисперсия – рассеяние во времени и в пространстве спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Явление дисперсии приводит к уширению прямоугольных импульсов. В процессе распространения света импульсы начинают расплываться, становится невозможным разделение соседних импульсов на приеме, возникают ошибки передачи (рисунок 3).

Рисунок 3. Искажение прямоугольных импульсов

Дисперсия для ступенчатого световода рассчитывается по формуле (9а):

(9а)

Дисперсия для градиентного световода рассчитывается по формуле (9б):

(9б)

Пропускная способность F явля­ется важнейшим параметром ВОСП, пред­определяющим ширину линейного тракта, полосу частот, пропускаемую световодом, и объем информации, который можно переда­вать по ОК, существенно зависит от ти­па волоконного световода (одномодовые и многомодовые), а также от типа излучателя (лазер, светодиод) и определяется по формуле (10):