Название: Направление системы электросвязи Часть 1 - учебное пособие (Анатолий Денисов, Константин Алексеев)

Жанр: Технические

Просмотров: 4947

2.4.  оптические волокна

Структура, технология изготовления и типы оптических волокон. Оптическое волокно (ОВ) представляет собой коаксиальную структуру и состоит из сердцевины, оболочки и защитного покрытия. Сердцевина и оболочка ОВ изготавливаются из прозрачных материалов с показателями преломления n1 и n2 соответственно, где n1 > n2. Из представлений геометрической оптики известно, что луч света, падающий под углом φ на границу раздела двух сред с различными показателями преломления n1 и n2, испытывает явления преломления и отражения (рис. 10). Луч 1, падающий на границу раздела «сердцевина–оболочка» под углом φ1, преломляется на границе раздела и покидает сердцевину (уходит в оболочку) под углом φ2.

В соответствии с законом Снеллиуса sin φ1/sin φ2= n2/n1 при n1 > n2 и угле φ2  > φ1. При увеличении угла падения φ1 возможна ситуация, когда угол преломления φ2 становится равным 90° (луч 2, рис. 10). В этом случае угол падения φ1 носит название критического угла φкр и sin φкр= n2/n1. Если угол падения луча превышает критический угол

φ3 > φкр, то луч полностью отразится от границы раздела, т.е. будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения (луч 3).

Рис. 10

Этот эффект возникает в оптическом волокне при определенных условиях ввода излучения в сердцевину волокна, где границей раздела двух сред «воздух–сердцевина» является плоский полированный торец волокна. В этом случае угол падения луча 2, который преломляется на границе раздела «воздух–сердцевина» и падает на границу раздела «сердцевина–оболочка» под критическим углом φкр, может быть определен как максимальный угол падения   в соответствии с выраже-нием:

.                             (1)

Таким образом, луч света, введенный в сердцевину волокна под углом, меньшим максимального  ≤  (луч 3), больше не покинет ОВ и будет распространяться по всей длине волокна. Величина sin получила название числовой апертуры волокна, а разница показателей преломления сердцевины и оболочки характеризуется величиной Δ – нормализованной разностью показателей преломления:

.                                       (2)

Материалы для изготовления оптических волокон. Оптическое волокно должно изготовляться, по крайней мере, из двух материалов, различающихся показателем преломления. В мировой практике нашли применение следующие виды ОВ, отличающиеся материалами, из которых они изготовлены.

Полимерные оптические волокна (ПОВ). Изготавливаются на основе целого ряда полимерных материалов, из которых наиболее распространены полиметилметакрилат (сердцевина) и вторполимеры (оболочка). Лидером в исследованиях ПОВ является Япония, где этими вопросами занимаются не менее 30 лет, однако только в последние годы появились сообщения о получении образцов длиной 50…100 м с затуханием менее 50 дБ/км в области длин волн 850…1300 нм. в 2001 году было достигнуто затухание ≈15 дБ/км с использованием нового химического процесса и создана экспериментальная локальная система связи и в

г. Кейо, Япония. Производители ПОВ декларируют его низкую стоимость и легкость монтажа в будущем, однако остальные характеристики, соответствующие требованиям техники связи, пока не реализо-ваны.

Перспективная область применения ПОВ – линии длиной 10…

100 м с большим количеством подключений при отсутствии высоких требований к надежности и емкости сетей, в том числе локальные сети, сети доступа, датчики в автомобилях и военная техника (бортовые линии связи).

Кварц-полимерные оптические волокна. Имеют сердцевину из кварцевого стекла и оболочку из полимерных материалов (кремнийорганические компаунды, тефлоны). Коэффициент затухания равен 5…

8 дБ/км на длине волны 850 нм. Преимуществом этих ОВ являются сердцевина большого диаметра (200…1000 мкм), высокая механическая прочность, малая чувствительность к изгибам и повышенная стойкость к ионизирующим излучениям. Область применения – линии длиной несколько сотен метров.

Кварцевые оптические волокна. Имеют сердцевину из кварцевого стекла, легированного малыми добавками стеклообразующих компонентов (оксидов германия и фосфора, фтора) для изменения показателя преломления, и оболочку из кварцевого стекла.

Благодаря уникальному комплексу свойств, таких как прозрачность в ближней ИК-области спектра, высокая механическая прочность, вязкостные характеристики, обеспечивающие хорошую формуемость стекла, высокая химическая стойкость и стабильность характеристик, кварцевое стекло остается единственной средой передачи современных сетей связи. Именно на основе кварцевого стекла была создана высокопроизводительная, широкомасштабная и экономически выгодная промышленная технология производства оптического волокна с комплексом свойств, полностью отвечающих требованиям техники связи.

Оценка предельно достижимой скорости передачи по кварцевому оптическому волокну (10…30 Тбит/с) и сравнение ее с имеющими место в настоящее время скоростями передачи показывают, что полоса пропускания ОВ действующих линий используется менее чем на 1 \%.