Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [ 10 ] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

Полная мощность Фо. излучаемая таким источником, находится интегрированием / (0) по всем направлениям:

Фо= J (/ocos9)(2n)(sin9)d9= - 2n/o[cos*e/2jn/fo = л/о. (2.1.12)

Однако мощность Ф, введенная в волокно, диаметр сердцевины которого больше диаметра источника, определяется следующим интегралом:

Ф = J (/о COS 9) (2л) (sin 9) dQ = --л/« [cos* 91во =

= л/о5Ш*а™-Фо(ЛЛ)*, Ф/Фо=(ЛЛ)* = 2гаЛп.

(2.1.13)

Отсюда ясно, что для того, чтобы ввести в волокно как можно больше света, необходимо обеспечить большие значения величин п и An. Очевидно, что лучшее, что может быть сделано - это использовать для изготовления волокна стекло с большим показателем преломления и не покрывать его оболочкой. В этом случае полное внутреннее отражение будет происходить на поверхности стекло-воздух совершенно аналогично опыту Тиндалла с водяной струей, где оно наблюдалось на границе вода-воздух. Жгуты из непокрытых оболочкой стеклянных волокон используются в некоторых системах передачи оптической информации на короткие расстояния. При нспользованнн таких жгутов возникают две проблемы. Первая состоит в том, что при полном внутреннем отражении часть волны света проникает сквозь отражающую поверхность. Она называется затухающей волной. Ее амплитуда уменьшается экспоненциально с увеличением расстояния от поверхности волокна и поэтому обычно не может распространяться в



Рис. 2.3. Диффузный источник света:

Мощность, излучаемая в малый телесный угол 6Q в направлении угла в по перпендикуляру к излучающей поверхности, равна /(е)вО-/оС08 бвО. Элементарвое угловое «ольцо, радиус которого стягивает угол в, ширина стягивает вв. само кольцо стягивает телесный угол вО-2я51пввв



среде с более низким показателем преломления. Однако наличие всяких неровностей и неоднородностей на отражающей поверхности может привести к преобразованию затухающей волны в волну распространения. В жгуте из волокон без оболочек условия на отражающей поверхности неизбежно и неконтролируемо изменяются, поскольку отдельные волокна вхоДят в контакт друг с другом и окружающей средой. В результате значительная доля распространяющейся в волокнах мощности выводится их них, что и приводит к большим потерям.

Вторая проблема связана с тем, что любой короткий световой импульс, введенный в волокно, состоит из ряда лучей, которые распространяются вдоль оси волокна и по траекториям, очень наклоненным к ней. На рис. 2.2 изображены два крайних луча, образующих конус входных лучей. В данном случае показатель преломления среды можно рассматривать как меру скорости распространения света v в этой среде, т. е.

V = с/п. (2.1.14)

Следовательно, осевой луч будет проходить расстояние вдоль волокна за время п, с, в то время как наиболее наклонный луч, который еще может распространяться в волокне, то же самое расстояние пройдет за время, определяемое соотношением

-JlLL--JhL-=JllL (2.1.15)

Таким образом, если оба эти луча введены в волокно одновременно, то на выходе волокна они окажутся разделенными во времени на интервал AT, определяемый формулой

АГ = (П1/П2) ( с) An. (2.1.16)

В результате световой импульс, содержащий лучи под всеми возможными углами, окажется размытым во времени в процессе своего распространения по волокну на величину, определяемую выражением

АГ = (П1/П2) (Ап/с). (2.1.17)

Это уширение светового импульса при его распространении по волокну известно как межмодовая (многолучевая) временная дисперсия волокна. Для стеклянного волокна без оболочки формула (2.1.17) дает следующее значение этой дисперсии (ni = 1,5; Пг = 1; с = 3-10* м/с); АГ = 2,5-10-9 = 2,5 нс/м = 2,5 мкс/км.

В данном случае в волокне будет распространяться свет, падающий на торец волокна под всеми углами.

Покрытие сердцевины волокна стеклянной оболочкой, имеющей немного меньший показатель преломления, приводит к возникновению трех эффектов:



1) если покрытие имеет высокое качество и толщину, достаточную для удержания затухающей волны, то оно существенно уменьшает потери;

2) уменьшению временной дисперсии;

3) уменьшению вводимой в волокно мощности света.

Если Л/1 4С то выражение (2.1.17) для временной дисперсии волокна можно преобразовать к виду

А Г » Ыс.

(2.1.18)

На рис. 2.4 изображено волокно со скачком показателя преломления. Оптические кабели из таких волокон широко распространены. Если принять наиболее вероятные значения п = 1,5 и A/i = 0,01, то на основе полученных формул находим основные характеристики волокна: числовая апертура {NA) = 0,173, угол ввода света в волокно а,„ = 10, доля вводимой в волокно мощности от диффузного источника света (NA) = 0,03 = 3 %. И, наконец, временная дисперсия волокна будет равна

АГ = 3,4 X 10-10 = 34 ис/км:

Вопросы взаимосвязи между временной дисперсией волокна А7, шириной полосы частот АД занимаемой сигналом, и максимальной скоростью передачи информации В будут рассмотрены в § 2.4 и гл. 15.


Изменение показателя преломления

Поперечное сечение

Продольное сечение

Рис. 2.4. Ступенчатое волокно:

Диаметры сердцевины 2а и оболочки 26 стремятся к стандартным размерам, равным соответственно 50 и 125 мкм. Изготавливают волокна и с другими размерами сердцевины и оболочки, в некоторых применениях требуются большие размеры. Так, диаметр сердцевины может изменяться от 100 до 300 мкм, а диаметр оболочки от 200 до 500 мкм. Однако такие волокна довольно жесткие



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [ 10 ] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0011