Физика - оптика, передача сигнала по оптоволокну

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Строение оптоволокна

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Принципы передачи

Луч света вводится в волокно под малым углом [math]\alpha[/math]. Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой [math]NA[/math]:

[math] NA =\sin \alpha_0=\sqrt {n_1^2-n_2^2}[/math], где [math]\alpha_0[/math] — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), [math]n_1[/math] — показатель преломления сердцевины и [math]n_2[/math] — показатель преломления оболочки.

Распространение света в оптоволокне

Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Часть света вводится через полный приемный конус оптоволокна.

Полный приемный конус оптического волокна определяется как [math]2\alpha_0[/math]

Преломление

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если [math]\alpha \gt \alpha_0[/math], то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.

[math] n_1\sin \alpha_r = n_2\sin\alpha_i[/math]

Отражение

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.Если [math]\alpha \lt \alpha_0[/math], то луч отражается и остается в сердцевине.

[math] \alpha_r = \alpha_i[/math]

Принцип распространения

Лучи видимой области спектра входит в оптоволокно под разными углами и идут разными путями. Луч, вошедший в центр сердцевины под малым углом пойдёт прямо и по центру волокна. Луч вошедший под большим углом или около края сердечника пойдёт по ломаной и будет проходить по оптоволокну более медленно. Каждый путь, следуя из данного угла и точки паления даст начало моде. Поскольку моды перемещаются вдоль волокна, каждая из них до некоторой степени ослабляется.

Типы оптоволокна

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:
слева вверху — одномодовое волокно;
слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно;
справа — градиентное волокно с параболическим профилем

Одномодовые волокна

Плюсы:

• Высокая пропускная способность

• Немного мод одновременно ⇒ уменьшено влияние модальной дисперсии

• Расстояния до 80 км

Минусы:

• Дорогое оборудование

• Поляризационная дисперсия

Многомодовые волокна

Плюсы:

• Много сигналов по одному световоду

• Более дешевое оборудование

Минусы:

• Не более 1000 метров

• Много мод одновременно – модальная дисперсия

• Хроматическая дисперсия

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Факторы, ухудшающие пропускание света в оптической системе связи

Затухание светового излучения

Затухание определяет величину ослабления оптической мощности лазерного луча в децибелах на км (дБ/км) при прохождении по оптоволокну. Несмотря на высокий уровень технологий, используемых при изготовлении оптоволокна, оптическое волокно не лишено дефектов, приводящих к ослаблению передаваемого сигнала. Основными причинами, вызывающими затухание сигнала в оптоволокне, являются: поглощение и рассеивание, связанные с неоднородностью оптического материала из-за различного рода примесей, а также потери на микроизгибах оптического волокна. Зависимость значения затухания от величины волны (окна прозрачности) показана на ниже.

Дисперсия

Другой фактор, который искажает сигнал во время передачи — дисперсия, которая уменьшает эффективную пропускную способность передачи. Основные типы дисперсии: модовая дисперсия, хроматическая дисперсия, и поляризационная дисперсия.

Хроматическая дисперсия

Волны с разной длиной волны перемещаются с разной скоростью.

[math] n(\lambda) = n_0 + \frac{a}{\lambda^2} +\frac{b}{\lambda^4} [/math]

Разный показатель преломления для разных длин волн.

[math] v = \frac{c}{n} \approx \frac{c}{n_0}(1 -\frac{a}{n_0\lambda^2}) [/math] ⇒ разная скорость.

Поляризационная дисперсия

Волны с разной поляризацией перемещаются с разной скоростью.

Многие кристаллы пропускают свет с разной поляризацией по-разному: разная степень затухания и разная скорость.

Модальная дисперсия

Разные моды волны перемещаются с разной скоростью.

Полезная информация

Для двухслойного световода с ядром в 50 μm модальная дисперсия ограничивает частоту до 20 МГц при длине в 1 км.

С помощью многослойного световода и специальных материалов можно достигнуть ограничения в 3.5 ГГц для 1 км.

Многомодовое волокно – 100 Гбит/c : 150 м, 100 Мбит/с : 2 км.

Одномодовое волокно – 10 Гбит/c  : >1000 км, 40 Мбит/с : ~300 км.

Самый последний результат – 27 Тбит/с на расстояние около 80 км.

Если сгенерировать несколько сигналов с разными частотами, смешать все вместе и отправить в световод,то можно получить самый быстрый кабель в мире (270 каналов с промежутком 33 ГГц)