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

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.

Модуляция в оптоволокне

Фазовая Модуляция

Фазовой автомодуляцией (Self-Phase Modulation — SPM) называется эффект, возникающий при воздействии сигнала на собственную фазу. С высокими силами излучения свет вызывает изменение показателя преломления оптоволокна, известного как эффект Керра. Это явление производит канал из фазы, изменяющейся во времени. Изменяющийся во времени показатель преломления модулирует фаза передаваемой длины волны, расширяя длину волны спектра переданного оптического импульса.

[math] \delta\phi = \frac{2\pi}{\lambda} \frac{L}{SP} [/math]

Где L является расстоянием передачи, S — площадь сердечника оптоволокна и P — мощность оптического излучения.

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)