Конструкция оптических волокон. Числовая апертура. Диаметр модового поля.

Конструкция оптических волокон.

В настоящее время в оптических кабелях (ОК) связи используются кварцевые слабонаправляющие ОВ коаксиальной конструкции с двумя и более слоями. В распределительных ОК структурированных кабельных систем может использоваться ОВ с кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой. Кроме того для применения в локальных сетях, сетях доступа и различных датчиках могут использоваться полимерные ОВ.

Общий вид двухслойного коаксиального волокна представлен на рис. 3.3. Такое волокно состоит из сердцевины, заключенной в оболочку, поверх которой наложено первичное защитно-упрочняющее покрытие (ЗУП).

сердцевина, n₁

оболочка, n₂

акриловое покрытие

n₁> n₂

Рис. 3.3. Конструкция ступенчатого ОВ

Сердцевина и оболочка ОВ выполнены из кварцевого стекла. Для того, чтобы наблюдалось явление полного внутреннего отражения необходимо, чтобы выполнялись условие

n₁> n₂,

где n₁ – показатель преломления сердцевины, n₂ – показатель преломления оболочки.

Для этого сердцевина ОВ может легироваться присадками, повышающими показатель преломления: окись германия (GeO₂), алюминия (Al₂O₃), фосфорного ангидрида (P₂O₅), титана (TiO₂), цезия (Cs₂O) или циркония (ZrO₂).

Либо оболочка ОВ легируется окисью бора (B₂O₃) или фтора (F) для понижения показателя преломления. Причем, как правило, примеси добавляются только в ту часть оболочки, что прилегает к сердцевине.

При производстве телекоммуникационных волокон в основном используется метод легирования сердцевины германием. При необходимости обеспечения минимального затухания может применяться ОВ с чистой кварцевой сердцевиной и оболочкой, легированной фтором.

Защитно-упрочняющее покрытие выполняет функции защиты ОВ от внешних механических воздействий и воздействия влаги. Основными требованиями к ЗУП являются стабильность характеристик в широком диапазоне рабочих температур, химическая и механическая совместимость с кварцевой оболочкой и остальными материалами кабеля. ЗУП должно обеспечивать стабильную адгезию в течении всего срока службы и в то же время легко (с усилием порядка 1.3… 8.9 Н) механически удаляться при помощи стриппера.

В качестве ЗУП в настоящее время широко используются акриловые соединения: эпоксиакрилат и уретанакрилат. ЗУП накладывается на этапе вытяжки ОВ из заготовки в два слоя, каждый из которых отверждается под действием ультрафиолетового излучения. Первый слой обладает хорошей адгезией с кварцевой оболочкой, имеет модуль упругости порядка 0.7 МПа и выполняет функции защиты ОВ от внешних сжимающих усилий. Второй слой имеет модуль упругости на три порядка выше и образует твердое наружное покрытие, обеспечивающее механическую прочность ОВ и защиту от действия влаги.

Геометрические размеры типовых телекоммуникационных ОВ приведены в таблице 3.1.

d_c

d_o

^dЗУП

Рис. 3.4. Сечение ОВ

Таблица 3.1. Геометрические размеры ОВ

Числовая апертура.

Числовая апертура - синус максимального угла падения луча света для оптических приборов, или же синус максимального входного угла волновода или оптоволокна.

Есть два различных значения термина «числовая апертура» (ЧА), используемых в контекстах волоконной оптики и оптики изображений.

Числовая апертура оптического волокна или волновода

В лучевой (геометрической) оптике луч можно рассматривать как световой пучок, который распространяется в воздухе и попадает в сердцевину (перпендикулярно разрезу) волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с большой площадью поперечной моды. Числовая апертура (ЧА) волокна - это синус максимального угла падения луча по отношению к оси волокна, при котором свет входит в сердцевину и далее распространяется по волокну. ЧА определяется как разница показателей преломления сердцевины и оболочки,

которое может быть определено также из условия, что луч вводится в волокно под углом полного внутреннего отражения. Здесь, n₀ -показатель преломления среды вокруг волокна, который близок к 1-в случае воздух.

Аналогичным образом, ЧА также может быть определена и для других видов волноводов.

Для описания распространения света в волокнах с малой площадью сердцевины (например, для одномодового волокна) необходимо рассматривать волновую природу света. Геометрическая оптика не может быть использована для описания распространения света в таких волокнах. Однако приведенное выше уравнение все еще может быть использовано для расчета ЧА через показатели преломления. Сложнее расчет ЧА для непрямоугольного (неступенчатого) профиля показателя преломления.

Высокой числовой апертуре соответствует большая расходимость пучка на выходе из оптического волокна, но также эта расходимость излучения зависит от диаметра сердцевины. Для волокон с профилем показателя преломления, отличным от ступенчатого (то есть в таких, где сердцевина не имеет постоянного показателя преломления), эффективная числовая апертура может быть определена на основе эквивалентного ступенчатого профиля показателя преломления. Иначе, ЧА можно вычислить, зная максимальный показатель преломления в сердцевине.

Для одномодового волокна ЧА, как правило, порядка 0.1, но может варьироваться примерно от 0.05 до 0.4.Многомодовые волокна обычно имеют более высокую числовую апертуру, например, 0.3. Очень высокие значения возможны для фотоннокристаллических волокон.

Для волокон с большой ЧА:

- Для заданной площади моды, волокна с более высокой ЧА лучше проводят свет, т.к. они в целом поддерживают большее число мод.

- В одномодовых волокнах меньше диаметр сердцевины волокна. Соответствующая площадь моды меньше, а расхождение пучка на выходе из волокна больше. Нелинейные свойства волокна, соответственно, больше. С другой стороны, одномодовые волокна с большой площадью моды должны иметь низкую ЧА.

- Уменьшаются потери на изгибах волокна; волокно может быть более сильно согнуто прежде, чем потери изгиба становятся существенными.

- Уменьшается чувствительность свойств волокна к случайным колебаниям показателя преломления (для волокон с большой площадью моды с низкой ЧА это может быть проблемой).

- Более высокая концентрация примеси (например германия), как требуется для создания большой разницы показателей преломления, может увеличить потери за счет рассеяния.

Диаметр модового поля.

Существует два понятия описывающих одномодовые волокна: диаметр светопроводящей сердцевины оптоволокна и диаметр модового поля (MFD). Первое понятие чаще используется на вводных лекциях по теории оптической передачи. В стандартах же и спецификациях указывается " диаметр модового поля" или " диаметр модового пятна".

Некоторое различия в словосочетаниях диаметр модового поля, диаметр модового пятна, диаметр поля моды возникли из-за варианотов перевода английского термина " Mode field diameter (MFD) "

Далее представлен отрывок из учебника раскрывающий значение термина " поле моды "

Шарварко В.Г. Волоконно-оптические линии связи. Учебное пособие (2006)
2.6 Особенности работы оптических световодов

… В случае одномодовых волокон оказывается, что достаточно большая часть мощности распространяется в оболочке, хотя и убывает по экспоненте как поверхностная волна. Эта часть мощности вызывает так называемые моды оболочки.

В одномодовых волокнах это явление оценивается диаметром d_пм или радиусом r_пм поля моды (рис.2.9, в). При этом считается, что распространение по радиусу имеет гауссовый вид: I(r)=ехр(-r/r_пм), d_пм=2r_пм (пм - пятно моды).

Экспериментально измеренное значение диаметра поля моды d_пм=2r_пм по уровню 1/e² от максимума больше диаметра сердцевины и нормируется как один из параметров волокна, точным образом зависящий от длины волны (рис.2.11).

Рис.2.9. Ход лучей на границе (а) и диаметр модового поля (б)

Рис.2.11. Поперечное распределение интенсивности в ВС

После всех этих формул и графиков можно сделать простые выводы:

- диаметр модового поля всегда больше диаметра сердечника

- диаметр модового поля зависит от длины волны света в оптоволокне и в стандартах указывается применительно к определённой λ

- диаметр модового поля зависит от профиля коэффициента преломления оптоволокна

Почему " диаметр сердцевины" не описывается в стандартах

Иногда рассматривая рисунки подобные тому, что слева, можно представить себе, что светопроводящая сердцевина механически может быть отделена от волокна. Но на самом деле оптическое волокно это цельная кварцевая нить и даже оптически выделить в нём сердцевину можно только специальным оборудованием. Пример система юстировки волокон PAS

Изменение показателя преломления в современных оптических волокнах зачастую не определяет какого-либо чёткого световода. Как ядро, так и окружающее его стекло может иметь сложный профиль, созданный таким для улучшения различных характеристик. И, соответственно, понятие диаметр сердцевины уже не отражает оптических характеристик волокна.

Далее пример различных профилей оптических волокон

Рис. 1.2. Профили показателя преломления в одномодовых волокнах
Со страницы Типы оптических волокон

Сердцевину здесь, конечно же, выделить можно, но её размеры и плотность светового потока в различных её точках не однородна. Поэтому и понятие " диаметр сердцевины" в описаниях свойств одномодовых волокон не используется