ВО2 сокр

1. Характеристики направляемых лучей. В световодах со ступенчатым профилем показателя преломления с точки зрения геометрической

оптики распространяются два вида
световых лучей:
• Меридианные, траектория распространения которых
пересекает ось волокна между точками отражений;
• Косые, траектория распространения которых не пересекает ось
волокна между точками отражений.
Если точечный источник излучения расположен по оси световода, то
имеются только меридианные лучи. Если же точечный источник расположен
вне оси световода или имеется сложный источник, то появляются
одновременно как меридианные, так и косые лучи.
Таким образом, меридианные лучи характеризуются углом падения,
образованным лучом и нормалью к оси волокна φ1м . Траектория
меридианного луча лежит в плоскости, проходящей через оптическую ось
волокна, и имеет зигзагообразный вид.

2.

Косые лучи распространяются по спиралеобразной траектории, проекция
которой на поперечное сечение волокна имеет вид правильного
незамкнутого треугольника. Поэтому для определения косого луча кроме
угла падения φ1к необходимо знать второй угол, который характеризует
скос луча и определяется как угол в плоскости сечения сердцевины между
касательной к границе раздела и проекцией траектории луча φ2к
Лучи в световоде:
1 – меридианные;
2 – косые

3.

Для характеристики меридианных лучей, направляемых под углом φ1м
к нормали, обычно вводятся следующие параметры
1. Длина пути, определяемая расстоянием между двумя последовательными
отражениями
L 2 R cos 1м
2. Оптическая длина пути, определяемая для однородной среды выражением
L0 2 Rn1 cos 1м
3. Полупериод траектории луча, представляющий собой расстояние
между точками двух последовательных отражений вдоль оси волокна
Lh 2 Rtg 1м L sin 1м
4. Число отражений на единицу длины среды распространения
N 1 Lh 1 ( L sin 1м ) 1 (2Rtg 1м )

4.

При описании траектории распространяемого в волокне косого луча,
представляющего собой луч со спиральной траекторией, те же лучевые
параметры приобретают вид
L 2R sin 2к cos 1к
L0 n1L 2 Rn1 sin 2 к cos 1к
Lh L sin 1к 2 Rtg 1к sin 2 к
N 1 Lh 1 L sin 1к 1 (2Rtg 1к sin 2 к )
Время прохождения меридианного и косого лучей по световоду одинаковое и
находится по формуле
t L (n1 c) Lh sin 1 (n1 c)

5.

В оптических световодах могут существовать два класса волн:
симметричные E0m, H0m и несимметричные EHnm, HEnm волны
Несимметричные волны типа Enm и Hnm в волоконных световодах
существовать не могут. Эти волны возбуждаются только в металлических
волноводах.

6.

В индексе, который определяет собой направляемую моду (тип волны),
n указывает на число полных изменений поля по периметру ВС;
m – на число полных изменений поля по диаметру.
Симметричные волны электрические Е0m и магнитные H0m имеют круговую
симметрию (n = 0).
Несимметричные волны называются смешанными, дипольными и
обозначаются через HЕnm, если поле в поперечном сечении напоминает поле
Н волны, или EНnm , если поле в поперечном сечении ближе к волнам Е.
Меридианным лучам соответствуют симметричные электрические
Е0m и магнитные H0m волны,
косым лучам – несимметричные гибридные EНnm и HЕnm волны.
HЕ11 - это основная (фундаментальная) мода ступенчатого световода, т.к.
она распространяется при любой частоте и структурных параметрах ВС (
для нее V11=0).
С точки зрения геометрической оптики она образуется лучом, вводимым
вдоль оптической оси волокна, характеристики которого не зависят от
условий отражения на границе сердцевина–оболочка.

7.

Выбирая параметры ОВ, можно получить режим распространения только
этой моды, что реализуется при условии
Диапазон частот V
Дополнительные моды
0,000–2,405
2,405–3,832
3,832–5,316
5,316–5,520
5,520–6,380
HE11
H01, E01, HE21
HE12, EH11, HE31
EH21, HE41
H02, E02, HE22
Минимальная длина волны, при которой в волокне распространяется
фундаментальная мода, называется волоконной длиной волны отсечки
Кабельная длина волны отсечки CCF смещена относительно CF в область
более коротких волн из-за влияния механических напряжений,
возникающих при укладке оптического волокна в кабель.

8. Многомодовый ступенчатый ВС

Картина распространения света, наблюдаемая в сечение световода,
содержащем оптическую ось, аналогична распространению света в
плоском волноводе.
Номинальная числовая апертура учитывает только меридиональные
лучи (она меньше действительной апертуры, учитывающей все
введенные лучи).
2
2
NA n1 n2 n1 2
Число направляемых мод, поддерживаемое в двухслойном однородном
ступенчатом ВС
M V 2 2
V k 0 n1 R 2 (2 R ) NA

9. Многомодовый градиентный ВС

2
n1 (0)[1 2 (r / R) ] (| r | R)
2
n (r ) 2
n2
(| r | R)
где r— текущий радиус; R — радиус сердцевины; п1 — показатель
преломления в центре сердцевины, равный примерно 1,5; α = {l, } —
показатель степени, определяющий изменение n(r); =0.003 — 0.01.

10. Локальная числовая апертура показывает, что максимальный угол ввода оптического излучения в градиентный ВС зависит от того, в

какой точке сердцевины оно вводится в ВС
NA r n12 r n22
• При r=0 локальная числовая апертура равна номинальной
• При параболическом профиле показателя преломления
• Число направляемых мод, поддерживаемое в градиентном ВС
со степенным показателем преломления
M
V2
2( 2)
• При параболическом профиле показателя преломления
M V 2 4

11. Одномодовый ВС

• Неравенство
есть условие существования
одномодового режима, которое для ступенчатого световода
R 0,76 / NA

12. Затухание

• Затухание в ВС – уменьшение мощности оптического сигнала по
мере его распространения по ВС
• Удельное затухание оптического сигнала
B
1
10 lg Pвх Pвых
L
Рвх и Рвых — мощности каналируемого излучения на входе и выходе
световода длиной L, км
• 3 компоненты: поглощение;
рассеивание;
излучение.

13.

Оптические потери в кварцевом волокне
• Фундаментальные потери:
- собственное поглощение в материале световода (bм);
- релеевское рассеяние.
4
b рел рел
Примесное поглощение (bион) – медь, хром, магний, никель,
железо;
Поглощение гидроксильной группой ОН (bОН) – наблюдается при
длинах волн 2,75; 1,24; 0,94; 0,88; 0,72 мкм;
Потери за счет технологических разбросов параметров ВС (bтехн);
Потери, связанные с дефектами эксплуатации после укладки его
в кабель (bкаб) и изменениями температуры окружающей среды
(bТ);
Потери bR, обусловленные воздействие проникающей радиации;
Потери bД, возникающие вследствие временных деградационных
явлений.
Bполн bм b рел bион bOH bтехн bкаб bТ bR b Д

14.

Минимальные потери:
0,2 дБ/км
(1,55 мкм)

15.

16. Минимальный радиус изгиба

• При NAизг=0,9NA (снижение числовой апертуры до 90% от
своего первоначального значения произойдет при
rизг. м ин 2,5d 0 n1 / n 5d 0 n12 / NA 2 10d c / NA 2
Ход световых лучей в ступенчатом световоде до (1) и после (2) изгиба.

17. Дисперсия оптического волокна

Дисперсия — это рассеивание во времени спектральных или
модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит
к увеличению длительности импульса оптического излучения
при распространении его по ОВ и определяется разностью
квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ
где значения вых и вх
определяются на уровне
половины амплитуды
импульсов.

18. Составляющие дисперсии ВС:

Межмодовая определяется различием скоростей
распространения направляемых мод;
Хроматическая, связанная с некогерентностью реальных
источников излучения (спектральные компоненты
оптического излучения распространяются с
разными скоростями), складывается из:
- волноводной (внутримодовой), которая определяется
направляющими свойствами ВС
(технологические отклонения от идеального
профиля ВС);
- материальной, определяющейся параметрами материала
(зависимость показателя преломления
материала ВС от длины волны);
Поляризационная модовая определяется различием скоростей
распространения ортогонально поляризованных
световых волн.

19.

— расширение импульса на выходе ВС
относительно импульса, поданного на его вход, имеющее место в
результате межмодовой, волноводной, материальной и поляризационной
дисперсии соответственно.
>
>
>
L
удельная
внутримодовая и материальная
дисперсии
коэффициент удельной поляризационной дисперсии

20.

21.

Зависимость
дисперсии от длины
волны оптического
излучения
одномодовых ВС

22. Поляризационная модовая дисперсия проявляется исключи-тельно в одномодовых волокнах с нециркулярной (эллиптической) сердцевиной

Поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах с нециркулярной (эллиптической)
сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией
PM (hi-bi) ВС (сохраняющие
поляризацию)
– это световоды с высоким
двойным лучепреломлением
(большая разница
показателей преломления
для ортогональных
электрических полей).
Поэтому на расстояниях в
несколько миллиметров
дифференциальная
задержка деполяризует
монохроматическое
излучение.