Оптические волокна

     Оптическое волокно считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется âîëîêîííîé îïòèêîé.

В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. В сеть тихоокеанских ВОЛС вошли Тайвань, Гонконг, Малайзия, Сингапур, Филиппины, Бруней, Тайланд, а также Корея и КНР. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами ВОЛС С.-Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург - Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами ВОЛС Новороссийск - Турция. В Европе, также, как и в Америке, ВОЛС давно уже нашли самое широкое применение практически во всех сферах связи, энергетики, транспорта, науки, образования, медицины, экономики, обороны, государственно-политической и финансовой деятельности.

Оптическое волокно (ОВ) является средой передачи информации в оптических системах связи. Первое оптическое волокно с потерями 20 дБ/км (на длине волны 0.633 мкм) было изготовлено фирмой Corning Glass Works в 1970 г. Однако прогресс в этой области был настолько стремителен, что уже в 1972 г. потери в ОВ достигли 4 дБ/км, а современные волокна имеют потери менее 0.2 дБ/км (на длине волны 1.55 мкм). Причем столь малые потери сигнала сохраняются в очень широком диапазоне частот модуляции света и уменьшение амплитуды сигнала с ростом частоты модуляции обусловлено дисперсией, которая для современных волокон со смещенной дисперсией составляет величину порядка 3 пс/нм.км. Таким образом, полоса пропускания собственно волокна может превышать 100 ГГц.км. Изначально волокно, получаемое в процессе изготовления, было исключительно хрупким. Для его функционирования в качестве надежного высококачественного компонента системы, волокно не должно иметь изъянов и быть защищенным от механического воздействия. Перед ведущими учеными всего мира в течение многих лет стояла, в качестве основной, сложная задача развития технологии производства для достижения высокой механической прочности, надежности и высококачественных передаточных характеристик оптических волокон. Эти задачи в настоящее время успешно решены. Современное волокно может быть завязано в узел диаметром 5 мм и при этом не разрушается. Технические же характеристики современных ОВ в плане передачи информации настолько высоки, что они находятся вне конкуренции с другими средами передачи данных. Развитие поколений волоконной оптики шло следующим образом: 

Системы первого поколения (1978-1982):

Длина волны 0,85 mм,

Многомодовое градиентное волокно,

AlGaAs/GaAs светодиодный или лазерный передатчик, кремниевый детектор.

Системы второго поколения (1983>):

Длина волны 1,3 mм,

Одномодовое волокно,

InGaAsP/InP лазерный (или светодиодный) передатчик, Ge детектор.

Системы третьего поколения (1989>):

Длина волны 1,3 mм, 1,55 mм,

Одномодовое волокно (также волокно со смещенной дисперсией),

InGaAsP/InP лазерный передатчик, InGaAsP/InP детектор.

.

     Оптическое волокно состоит из световедущей сердцевины, окруженной оболочкой, у которых разные показатели преломления.

Оба элемента производятся из высокочистого кварцевого стекла. Полученное в процессе вытяжки оптическое волокно затем покрывается одним или двумя слоями защитного пластикового покрытия, распространенным материалом для которого является акрилат. От покрытия зависит прочность волокна. В основе распространения света по сердечнику лежит принцип полного внутреннего отражения, который реализуется за счет того, что коэффициент преломления сердечника выше коэффициента преломления оболочки. На входе волоконно-оптического тракта модулируемый источник света преобразует входные электрические сигналы в модулированный (как правило по интенсивности) свет, который распространяется по волокну, связанному с источником. На другом, принимающем конце линии оптические сигналы преобразуются фотодетектором обратно в электрические сигналы. На линиях большой протяженности иногда используются регенераторы, состоящие из приемника, усилителя и передатчика. В современных Волоконно Оптических Линиях Связи также находят применение оптические усилители.

Оптическое волокно  представляет собой цилиндр из легированного кварцевого стекла. Для передачи сигналов используются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Название волокна получили от способа распространения излучения в них. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода) (рис.1).

Рис.1

В многомодовом волокне размер световодной жиды порядка 50-60мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод) (рис.2).

Рис.2

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а на рассеяние – от неоднородностей показателя преломления материала.

Рис.3

Другой важнейший параметр оптического волокна – дисперсия. Дисперсия – это рассеяние во времени спекртальных и модовых составляющих оптического сигнала. Существует три типа дисперсии:

модовая дисперсия – присуща многомодовому волокну и обусловлена наличиембольшого числа мод, время распространения которых различно.

материальная дисперсия – обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

волноводная дисперсия – обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны, Одномодовый волвкна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе прокускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

Параметры оптических волокон

Среди геометрических параметров ОВ выделяют параметры  кварцевого световода и параметры покрытия. Первые являются наиболее существенными и определяют тип световода. Наиболее важный параметр ОВ - диаметр сердцевины, поскольку геометрические размеры и профиль показателя преломления сердцевины определяют модовый состав ОВ. Под диаметром сердцевины понимают диаметр центральной области ОВ с высоким значением показателя преломления. Под диаметром сердцевины понимают диаметр по уровню 0.1 от максимального значения коэффициента преломления (на оси ОВ). Структура ОВ с указанием типичных параметров показана на рис.4.

Рис.4. Структура оптического волокна

Кроме вышеперечисленных, к геометрическим параметрам относятся: длина волоконного световода, некруглость (овальность) сердцевины (для МОВ), некруглость (овальность) оболочки, неконцентричность (некоаксиальность, концентричность, коаксиальность) сердцевины и оболочки, концентричность (коаксиальность, неконцентричность, некоаксиальность) покрытия.

К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:

- коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки

- разность показателей преломления

- относительная разность показателей преломления

- групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления

- профиль показателя преломления

- диаметр модового поля (для ООВ)

- числовая апертура, длина волны среза (для ООВ)

Коэффициент преломления является одной из основных физических характеристик оптических сред и равен корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости среды для электромагнитных волн оптического диапазона. Естественно, показатель преломления зависит от химического состава вещества и имеет различное значение для разных длин волн распространяющегося света. Так для чистого кристаллического кварца в диапазоне длин волн 185 - 3000 нм показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей меняется от1.676 до 1.499 и от1.689 до 1.507 соответственно.

В оптических волокнах применяется плавленый кварц, а необходимый показатель преломления достигается путем легирования кварца. Типичные значения показателя преломления лежат в диапазоне 1.46 - 1.47. При этом отличие показателя преломления сердцевины от показателя преломления оболочки составляет порядка 1% для многомодовых ОВ и менее 0.4% для одномодовых. Общепринятые обозначения для показателя преломления сердцевины - n1, оболочки - n2. Разность показателей преломления сердцевины n1 и оболочки n2 имеет типовое значение порядка 0.01 для МОВ, менее 0.004 для ООВ, обозначается Dn и вычисляется по формуле:

Dn = n1 - n2

где n1 - максимум показателя преломления сердцевины ОВ,
n2 - показатель преломления оболочки.

Под относительной разностью показателей преломления D понимают величину, равную отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины:

D = (n12 - n22)/2n12 » (n1 - n2)/n1

Эффективный групповой показатель преломления. В волоконно-оптических линиях связи передаются импульсные сигналы, обладающие достаточно сложным спектром. При этом каждая волна, соответствующая некоторой спектральной составляющей, движется со своей фазовой скоростью Vф. В результате волновой пакет, или импульс, движется с групповой скоростью Vгр. Для распространения импульса в бесконечной среде с показателем преломления n верны следующие соотношения:

Vф = c/n, (2.5) Vгр = c/nгр , (2.6) nгр = n - l(dn/dl), (2.7)

где l и c - длина волны и скорость света в вакууме,
nгр - групповой показатель преломления,
dn/dl - производная показателя преломления по длине волны света.

Аналогично для световода эффективный групповой показатель преломления вводится как коэффициент, показывающий во сколько раз скорость распространения импульсных сигналов по световоду меньше скорости света в вакууме. При этом групповая скорость для m-й моды ОВ вычисляется как производная угловой частоты света по постоянной распространения m-й моды:

Vгр = dw/dbm = - (2pc/l2) Ч (dl/dbm),

где w - угловая частота света,
bm - постоянная распространения m-й моды.

Первые (многомодовые) ОВ изготавливались с Профилем Показателя Преломления (ППП) в виде ступенчатой функции, показанной на рис.5а). Следующим шагом в развитии технологии производства световодов было изготовление ОВ с градиентным ППП (рис.5б)), обладающих существенно меньшей межмодовой дисперсией и, как следствие, более чем на порядок увеличенной полосой пропускания (десятки МГц/км для ступенчатых МОВ и порядка одного ГГц/км для градиентных МОВ). В градиентных МОВ, также как и в ступенчатых, диаметр сердцевины составляет 50 мкм, однако, показатель преломления изменяется плавно, по закону, близкому к параболическому. Как было показано в многочисленных исследованиях, именно такой ППП обеспечивает минимальное дисперсионное искажение сигнала. Этот факт подробнее будет рассмотрен позже при обсуждении дисперсионных характеристик ОВ.

Ðèñ.5. Ïðîôèëü ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ÌÎÂ ( à), á) ) è ÎÎÂ ( â), ã)).

Среди одномодовых ОВ можно выделить волокна с несмещенной и со смещенной дисперсией, для которых ППП существенно отличается - рис.5в) и рис.5г) соответственно.

Диаметр модового поля.

Радиальная зависимость амплитуды поля фундаментальной моды HE11 (LP01) одномодового ОВ носит плавно спадающий характер и близка к гауссовому закону (рис.6б)). Под диаметром модового поля понимают удвоенное расстояние между точкой на сечении ОВ, в которой амплитуда поля моды максимальна и точкой, в которой амплитуда поля моды меньше максимального значения в е (е = 2.718) раз.

Рис.6. Распределение интенсивности по сечению а) и радиальное распределение поля E б) для мод LP01 и LP11; в) - срез ОВ (соотношение диаметра сердцевины и оболочки не соблюдено).

Погрешность концентричности модового поля определяется как расстояние (на сечении ОВ) между центром модового поля и центром окружности сечения внешней поверхности оболочки ОВ. Погрешность концентричности модового поля измеряется в абсолютных величинах и не должна превышать 1 мкм.

Числовая апертура.

Для многомодовых волокон числовая апертура NA определяется как синус наибольшего угла Jm меридианного луча, который может направляться волокном:

NA = sin Jm

Здесь Jm - угол в свободном пространстве относительно оси ОВ, т.е. угол ввода оптического излучения в ОВ. Меридианный луч - луч, лежащий в плоскости оси ОВ. Числовая апертура может быть рассчитана через показатели преломления сердцевины n1 и оболочки n2:

NA = (n12 - n22)1/2 

     В заключении хотелось бы привести один интересный пример изготовления оптических волокон на основе фотонных кристаллов.

     Создание фотонных кристаллов и оптических волокон («дырчатых» световодов) на их основе является одним из наиболее значительных доствижений оптических технологий последних лет. Это научное направление в настоящее время бурно развивается: в мире стремительно растет число научных групп, занимающихся исследованиями фотонных кристаллов, открываются новые потенциальные области их применения.

В настоящее время известны два типа волоконных световодов со структурой фотонных кристаллов. Это волоконные световоды со сплошной световедущей жилой, о которых упоминалось выше, и волоконные световоды с полой световедущей жилой. В России и те, и другие называются дырчатыми волокнами, хотя на самом деле между ними существует важное различие в механизмах, обеспечивающих волноведущие свойства световодов.

Дырчатый световод со сплошной световедущей жилой представляет собой сердцевину из кварцевого стекла в оболочке из фотонного кристалла (кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами), имеющей более низкий средний коэффициент преломления по отношению к жиле. Поэтому волноведущие свойства таких световодов обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах, и зонными свойствами фотонного кристалла. Наличие оболочки в виде фотонного кристалла существенно отличает дырчатые волокна от обычных волоконных световодов.

Дырчатые световоды с большим диаметром световедущей жилы также могут использоваться в качестве среды передачи световых потоков высокой интенсивности.

Благодаря своим уникальным дисперсионным свойствам, дырчатые световоды уже находят свое применение в качестве компенсаторов дисперсии в волоконных системах связи. Они достаточно легко и с малыми потерями привариваются к стандартному оптическому волокну и совмещаются с другими элементами волоконно-оптических систем.

В дырчатом волокне с малыми размерами соответствующей жилы снижаются пороги всех нелинейных эффектов, что представляет большой интерес для создания эффективных рамановских лазеров и усилителей, генераторов континуума и оптических переключателей. Очень привлекательной является идея создания генератора суперконтинуума — источника белого света с очень высокой энергетической яркостью. Такие источники могут применяться в DWDM­системах, а также в спектроскопии и метрологии.

Технология изготовления дырчатых волоконных световодов с полой световедущей жилой практически не отличается от технологии аналогичных световодов со сплошной световедущей жилой. Основное отличие этого волокна заключается в том, что световедущая жила представляет собой не кварцевый стержень, а воздушную полость с диаметром, превышающим диаметр d регулярных воздушных каналов в оболочке (рис. 8). Такая структура может направлять излучение видимого и ближнего ИК диапазонов. В этом случае волноводный режим обеспечивается исключительно зонной структурой фотонного кристалла. Свойства дырчатых световодов с полой световедущей жилой (потери, дисперсионные и нелинейные характеристики) изучены недостаточно. Ясно лишь то, что свет в таких световодах, в отличие от стандартных, распространяется преимущественно в полой сердцевине, а не по кварцу. Казалось бы, что потери в таких световодах должны быть очень низкими, так как материальное поглощение и релеевское рассеяние в воздухе ничтожны по сравнению с кварцевым стеклом.

Дырчатые световоды со сплошной световедущей жилой в ближайшие годы могут найти практическое применение в широкополосных волоконно-оптических сетях в качестве среды передачи оптических сигналов и функциональных устройств волоконных сетей связи.

Çàêëþ÷åíèå

     Ìû ðàññìîòðåëè ñòðîåíèå è îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè îïòè÷åñêèõ âîëîêîí. Õîòåëîñü áû äîáàâèòü ÷òî îïòè÷åñêèå âîëîêíà ïðèìåíÿþòñÿ åùå è äëÿ ïîëó÷åíèÿ  âñåâîçìîæíûõ ñâåòîâûõ ýôôåêòîâ â ÷àñòíîñòè: ñâåòîâîå îôîðìëåíèå, äèçàéí, ðåêëàìà. Øèðîêîìó ïðèìåíåíèþ ñïîñîáñòâóåò áåçîïàñíîñòü ïðèìåíåíèÿ ýëåìåíòîâ âîëîêíà. Êðîìå òîãî èõ èñïîëüçóþò â ðàçëè÷íûõ ìåäèöèíñêèõ ïðèáîðàõ òàêèõ êàê çîíäû. Èñïîëüçîâàíèå òàêèõ âîëîêîí ïîçâîëÿåò óëó÷øèòü óãîë çðåíèÿ ïðèáîðà äî 120 ãðàäóñîâ, à óãîë ïîâîðîòà ðàñøèðèòü äî 4-õ íàïðàâëåíèé.

     Åùå îïòè÷åñêîå âîëîêíî øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ïðè ñîçäàíèè ëîêàëüíûõ âû÷èñëèòåëüíûõ ñåòåé, à â îïòè÷åñêèõ ëèíèÿõ ñâÿçè áëàãîäàðÿ îïòè÷åñêèì âîëîêíàì î÷åíü íèçêèé óðîâåíü øóìîâ, ñîîòâåòñòâåííî âûøå êà÷åñòâî.

     Анализируя вышеизложенные особенности оптических волноводов, мы убедились, что есть основания считать, что Оптическое волокно считается  не только самой совершенной физической средой для передачи информации, но и самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

План

1.     Введение

-         Оптическое волокно, как среда передачи данных.

2.     Конструкция оптического волокна

3.     Параметры оптических волокон:

-         Геометрические

-         Оптические

4.     Заключение:

-         Оптические волокна на основе фотонных кристаллов.

Список использованной литературы:

1.     «Волоконно-оптические системы» Справочник под ред. Гроднева И.И. 1993 г.

2.     «Волоконно-оптические линии связи» Справочник под ред. Свечникова С.В., 1999 г.

3.     «Фотонные кристаллы и оптические волокна на их основе» Фотон-Экспресс Потапов В.Т. 2003г.