05
О
Лучевой подход правильно отражает осп. особенности распространения света в многомодольтх ВС, для к-рых 2«^>л (длина волны света). Однако полную картину распространения света по ВС да╦т волноная теория, допускающая распространение по нему лишь дискретного набора мод.
При анализе распространения света но ВС, для к-рых nL~nz, широко применяется приближение слабо направляемых мод, В этом приближении поля направляемых мод являются практически линейно поляризованными и все компоненты поля могут быть получены как производные одной преобладающей поперечной компоненты вектора электрич. поля, к-рая выражается след, образом:
≈ <
AJV (кг)
/cosvqA \\ sin v<p )
a
A
Jv (xa)
cos УФ "sin v<p
Здесь А ≈ константа; временная зависимость е""' опущена; /v, KV ≈ ф-ция Бссселя и ф-ция Макдопальда
порядка v; р ≈ постоянная распространения направляемых мод, определяемая из решения граничной задачи {р может принимать лишь дискретные значении о интервале йма < р < u«i); 2 ≈ направление распространения, совпадающее с осью ВС; к ≈(«i/c3 ≈ р2) "≈ поперечное волновое число в сердцевине ВС; £ =
2≈n\\k~) !z≈поперечное волновое число в оболоч-волповос число в свободном прост-
ое ∙ 2л ко ВС; k^ ≈
мкм
334
рапствс.
Величина V=(Kz-\\-t,z)lf'sa ≈ (nl≈ nQlff*ka наз. х a-p а к т е p и с т и ч с с к и м параметром световода и определяет число мод N, к-рыс могут распространяться по ВС- Для ВС со ступенчатым профилем показателя преломления JV"~Fa/2.
Распространение света по ВС сопровождается такими ошмч. явлениями, как затухание онтич. сигнала, уши-рение коротких импульсов света, разл. нелинейные процессы.
Потери в волоконном световоде. Затухание оптнч. сигнала в стеклянном ВС в видимом и ближнем ИК-дпа-иазоиах длин волн, т. е. в областях спектра, где кварцевые ст╦кла имеют макс, прозрачность, определяется
как фундам. мсхашдема-АШ поглощения и рассеяния света в ст╦клах, так к рассеянием и поглощением примесями и дефектами структуры.
К фундам. механизмам оптпч. потерь в кварце-
РЙС. it. Спектральные зависимости иитических потерь и квмрцелом стскл*1, └|гтн-рованном германием: 1 ≈ поглощение., оОусл он ленное электронными переходами;
2 ≈ рэлеевсног рассеяние;
3 ≈ поглощение, обусловленное колебаниями реш╦т-ки; 4 ≈ суммарные потери.
вых стелил ах относятся: поглощение, обусловленное электронными переходами (на Л,=0,8мкм не превышает 1 дБ/км); ИК-поглощепист обусловленное колебаниями реш╦тки, к-рое начинает играть существ, роль (поглощение более неск. дС/км) лишь на Х>1,8 мкм; рэлсжен-ское рассеяние света на неоднородностях состава и плотности стекла, меньших А, (на Л=0,8 мкм пс превышает неск. дБ/км). Т.о.. наиб, прозрачностью ВС на основе кварцевых ст╦кол обладают в области 0,8-^ -г!,8 мкм. На рис. 3 приведены спектральные зависимости оптических потерь ее, обусловленных фунда-
D.1
Рис. 4. Спектр оптических потерь одшшодового волоконного световода.
ментальными механизмами, для кварцевого стекла, легированного Ge.
Примесное поглощение в указанном спектральном диапазоне определяется гл. обр, поглощением ионами переходных металлов (Fe, Си, Cr, Ni, V и др.) к гидрок-сильныыи группами. Чтобы поглощение света не превышало неск. дБ/км, содержание переходных металлов и гидроксильных групп в стекле не должно превышать неск. частей на 1 миллиард (10~э) и 1 миллион (10~е) соответственно. Вклад указанных примесей в полные потери совр. ВС пренебрежимо лгал. Полные потери ВС на основе кварцевых ст╦кол близки к предельно низким (рис. 4).
Утирсние онтич. импульсов при распространении по ВС приводит к их взаимному перекрытию, что ограничивает информац. полосу пропускания ВС. Зауши-рение импульсов в ВС ответственны три механизма: мсж-модовая дисперсия, материальная дисперсия и полноводная дисперсия. Наиб, вклад в утпирение импульса в многомодовых ВС вносит м е ж м о д о в а я д и с-п с р с и я ≈ разл. групповая скорость распространения разл. мод. При типичных параметрах многомодо-вых ВС межмодовая дисперсия ограничивает полосу пропускания световода до песк. десятков Мгц-км:. Различие групповых скоростей мод можно значительно снизить, обеспечив плавное изменение показателя преломления по закону, близкому к параболическому, с максимумом на оси световода. В результате полоса пропускания ВС увеличивается до 600≈800 Мгц-км и более.
Материальная дисперсия ВС обусловлена зависимостью показателя преломления материала, из к-рого изготовлен световод, от Я. В этом случае групповая скорость моды зависит от частоты света, а поскольку оптич. импульс всегда имеет конечную спектральную ширину 6Х, происходит уширснис импульса при его распространении по световоду. Ушире-ние импульса т вследствие материальной дисперсии при распространении по световоду длины L равно
При распространении но ВС с сердцевиной из плавленого кварца уширение импульса от светодиода па основе GaAlAs, работающего на волне X ≈ 0,8 мкм л имеющего относит, спектральную ширину 6ЛД ≈ 0,04, составляет т^4 не/км, Улшрение импульса вследствие материальной дисперсии резко уменьшается, если X несущего излучения выбрана в спектральной области вблизи 1,3 мкм, т. к. ц этой области для кварцевых
,. стекол величина -ггт- ≈ > О,
(if ч
В о .ч н о в о д ы а я дисперсия связана с за-
висимостью групповой скорости данной моды от л. Волноводкая дисперсия обычно пренебрежимо мала по сравнению с величиной материальной дисперсии.
Б ВС из легированного кварциного стекла существуют области, где материальная дисперсия равна по величине полноводной дисперсии и отличается от не╦ знаком. В этих областях, лежащих в диапазоне 1,2<Х<1,7 мкм, можно выбором легирования и подбором диаметра сердцевины ВС добиться взаимной компенсации и обеспечить паим. уширенне импульса (наиб, полосу пропускания) в одномодовых ВС.
Нелинейные процессы в волоконных световодах.
Вследствие изотропии материала сердцевины стеклянных световодов младший нелинейный член в разложении поляризации по полю ≈ кубический, т. е, нелинейная поляризация Рк ≈ у^КЛМЗ. Кубическая воспри-
")
}
