Распространение света в оптоволокне

Определения
Оптоэлектроника — раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.
Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.
Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна.

Преимущества и недостатки ВОЛС
Преимущества оптоволокна:
Высокая частота передачи сигнала → широкая полоса пропускания → высокая скорость передачи информации (теоретически – до 1 Тбит/с);
Увеличение скорости в 2 раза: передача сигнала одновременно в двух направлениях, использование волн двух перпендикулярных поляризаций.
Частотное уплотнение по оптоволоконным линиям связи - передача разных сигналов на разных длинах волн.
Низкие потери (0,2-0,3 дБ/км при λ=1,55). Потери не зависят от частоты передачи сигнала;
Нечувствительность к электромагнитным помехам → отсутствие искажений;
Малый вес и размер;
Пожаро- и взрывобезопасность;
Сложность прослушки сигнала без нарушения приема/передачи → информационная безопасность (???).
Недостатки ВОЛС:
Хрупкость;
Сложность изготовления;
Снижение эффективности с течением времени;
Дороговизна оборудования, монтажа и обслуживания.
Электроника отстает от оптики по частотам.

Устройство оптоволокна
2 слоя:
сердцевина
оболочка
+ защитная оболочка.
Строение подводного оптоволоконного кабеля:
1. Полиэтилен.
2. Лавсановая плёнка.
3. Витые стальные провода.
4. Алюминиевый "водный барьер".
5. Поликарбонат.
6. Медная или алюминиевая трубка.
7. Углеводородный гель.
8. Оптоволокно.

Устройство оптоволокна
Передача света в оптоволокне – эффект полного внутреннего отражения → n2 > n1.
Например: n1 = 1.474, n2 = 1.479
Разница между n1 и n2 ~ 1%
В стеклянном волокне n меняется с помощью легирования:
B2O3, F – уменьшают n;
GeO2, P2O5 – увеличивают n.
По материалу оптоволокно делится на:
стеклянные волокна;
стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой (PCS);
пластиковые волокна.
Стандартные диаметры сердцевины и оболочки (мкм):
Обозначения: 8/125, 62.5/125…
диаметр человеческого волоса ≈100 мкм.

Одномодовое
диаметр сердцевины 7-9 мкм.
ступенчатое (SF) 2) со смещенной дисперсией (DSF)
с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF)
Многомодовое:
Ступенчатое
d сердцевины 100 – 970 мкм.
Типы оптоволокна
Иногда - более сложная структура профиля.
с сохранением поляризации
напрягающие оболочки
Градиентное
d сердцевины 50, 62.5, 85 мкм.

Дисперсия сигналов в оптоволокне
Качество оптоволокна:
Модовая
Причина: лучи с разными углами падения проходят различные расстояния.
Только в многомодовых системах.
Хроматическая:
Материальная (молекулярная)
Причина: зависимость n световода от λ
Волноводная
Причина: ~20% энергии распространяется по оболочке. Зависит от геометрических и др. свойств волновода.
Дисперсия – расплывание светового импульса по мере его движения по оптоволокну.
Качество:
Потери
Полоса пропускания
Информационная емкость
Поляризационная
Причина: различная скорость двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды
Проявляется в одномод. системах при ν >2,4 Гбит/с.

Закон Бугера: ,
W0 – сигнал на входе, α - коэффициент затухания (дБ/км), L – длина волокна.
Одномодовое волокно: α ~0.2 дБ/км, пластиковое: α~ 300 дБ/км.
Затухание сигнала
Причины потерь мощности:
Поглощение
собственное поглощение в материале световода
Причины: в УФ-области – переходы между энергетическими уровнями атомов, в ИК-области – многофотонные и колебательные возбуждения молекул;
SiO2: λ = 9.2 мкм, гармоники: 2.2, 3.8, 4.4 мкм.
примесное
концентрация примеси 10-6 вес.ч.:
потери на дефектах атомной решетки.

Затухание сигнала
Причины потерь мощности:
Рассеяние:
рассеяние Релея (на микрочастицах с размерами d<< λ),
~ λ-4
рассеяние Ми (d >>λ)
минимальный теоретический предел затухания:
2.5 дБ при 820 нм
0.24 дБ при 1300 нм
0.012 дБ при 1550 нм
Потери при изгибах:
угол падения луча становится меньше критического, не наблюдается полного внутреннего отражения.
уменьшение прочности волокна.
микроизгибные
макроизгибные

Затухание сигнала
Причины:
Ионизирующее излучение
Причина - разрыв связей в молекулах → появление свободных связей → появление неоднородностей → усиление поглощения.
Зависит от: типа легирующей добавки, диаметра сердцевины, типа оболочки.
Технологические разбросы параметров световода
эллиптичность сердцевины, флуктуации ее диаметра, нарушения закона распределения n по сечению… → рассеяние энергии.
Появление и рост микротрещин.
Причины: при вытягивании волокна, под воздействием механических напряжений, химических реагентов (влаги, кислорода).
Влияние температуры:
изменение n сердцевины и оболочки → перераспределение энергии между модами → потеря мощности основного сигнала.
разные коэффициенты теплового расширения → увеличение числа микроизгибов.
Потери на стыках
Потери на входе и выходе
Причина: рассогласование численных апертур волокна и источника/приемника
ϕ - максимальный угол ввода света в волокно.