62Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Физические основы построения волоконно-оптических систем передачи информации


С. Песков, гл. конструктор ЗАО "В-Люкс",
В. Таценко, гл. инженер ЗАО "В-Люкс",
А. Шишов, ген. управляющий ЗАО "В-Люкс"
Теле-Спутник - 4(78) Апрель 2002 г.


Когда в 1960 г. на основе трудов советских ученых Н. Басова и А. Прохорова и американских Ч. Таунса и А. Шавлова был создан первый твердотельный лазер на рубине, то главное его практическое применение видели, прежде всего, в системах передачи информации. Высокая несущая, стабильность и когерентность излучения, узкая диаграмма направленности позволяли надеяться, что на основе этих приборов удастся создать линии передачи с чрезвычайно высокой скоростью передачи информации, с дальностью действия несколько тысяч и даже десятки тысяч км. Несложные расчеты показывали, что рубиновый лазер мощностью в импульсе 1,0 Дж способен обеспечить дальность связи до 50 тыс. км.

Уже в 1974 г. NASA планировало запустить линию связи с геостационарным спутником на основе лазера на СО2. Бурный процесс исследований в области открытых оптических линий связи (ООЛС) продолжался почти 20 лет. Однако к настоящему времени не существует ни одной ООЛС, находящейся в технической эксплуатации, с дальностью действия более 50 км. Реально мечту о сверхширокополосных и сверхпротяженных оптических линиях через открытое пространство пока реализовать не удалось. Причин этому несколько. И обусловлены они во многом именно свойствами лазеров.

Первая: оптическое излучение большинства видов лазеров очень сильно поглощается атмосферой, а при сильных снегопадах, дождях и туманах связь полностью нарушается.

Вторая: оптическое излучение распространяется прямолинейно, и для организации протяженных линий необходимы высокие сооружения. А из-за малой ширины луча требования к устойчивости этих сооружений очень жесткие.

Третья: не удалось разработать широкополосные модуляторы и приемники с требуемыми эксплуатационными характеристиками (для модуляции излучения мощностью свыше 1 Вт).

Поэтому использование оптического излучения для широкополосной передачи информации пришлось отложить до появления более "технологичных" устройств и методов его использования. Но исследования в области лазеров дали толчок к работам в другой области — оптических волокон. Мысль ученых была проста: атмосфера поглощает оптическое излучение и подвержена флуктуациям. Если создать среду, потери в которой будут невелики, то с помощью оптического излучения можно будет передавать информацию на большие расстояния. Первоначально в качестве такой среды предлагалось использовать линзовые волноводы. Но это оказалось дорого и неудобно. И тогда физики вспомнили о ди-электрических волноводах и эффекте полного внутреннего отражения. Так родилась идея оптических волокон. Трудно даже указать ее персонального автора.

Собственно ничего принципиально нового в оптических волокнах нет. Еще в 1870 г. английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал, что свет может передаваться в потоке воды. При этом он использовал тот же эффект полного внутреннего отражения, на котором основан принцип действия современных волоконных световодов. Но если по такому световоду направить просто "белый" свет, то он быстро затухнет. Только такие свойства лазерного излучения, как монохроматичность и когерентность, предопределили возможность распространения его по диэлектрическому световоду с минимальными потерями.

Но это коротко об истории вопроса, а теперь обратимся собственно к ВОЛС. Их основой является оптическое волокно. А основным эффектом, благодаря которому оптическое излучение распространяется в волокне с минимальными потерями на большие расстояния — является эффект полного внутреннего отражения.

Немного теории геометрической оптики

Если плоская световая волна (луч света) падает на границу раздела двух сред с различными показателями преломления n 1 и n 2, то она частично отражается от границы раздела, а частично преломляется и переходит из одной среды в другую. Соотношение между амплитудой падающей и отраженной волны зависит (кроме прочих факторов) от угла падения. Но так бывает не всегда. Если световая волна распространяется в среде с показателем преломления n 1, а среда, на которую она падает, имеет показатель преломления n 2, то при условии, что n 2 < n 1, существует такой угол падения, при котором падающая волна полностью отразится от границы раздела и вернется в более плотную среду. Этот угол называется углом полного внутреннего отражения. Все волны, падающие на границу раздела под углами, превышающими угол полного внутреннего отражения, не испытывают преломления и полностью отражаются назад. Величина этого угла определяется формулой:


(1)

При этом, в соответствии с известным законом Снеллиуса, угол отражения будет равен углу падения. На рис.1 показаны три варианта падения лучей на границу раздела сред.

Рис.1

Теперь представим себе стеклянную пластину из трех слоев (рис. 2). Средний слой — сердцевина, имеет показатель преломления n 1, а два наружных слоя — n 2. В торец среднего слоя запустим луч света под таким углом, чтобы он после преломления на границе воздух — средний слой попал на границу раздела двух стеклянных слоев под углом, равным или большим угла полного внутреннего отражения. После отражения от первой границы, луч под тем же углом упадет на вторую границу и вновь отразится также под углом. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока луч не покинет пластину. Заметим, что потери при полном внутреннем отражении весьма малы, и длина пластины, которую сможет пройти луч, не испытывая затухания, будет велика. Такая пластина из трех слоев стекла с различными показателями преломления называется плоским световодом. Он широко используется в различных устройствах световодной интегральной техники.

Рис.2

В системах связи плоский волновод заменен цилиндрическим, и вместо полосковых световодов используют оптические волокна. Если нарисовать распределение показателя преломления по торцу пластины или волокна, то получим прямоугольник (рис. 3). Поэтому такие световоды называются световодами с прямоугольным профилем показателя преломления.

Рис.3

Первая серьезная теоретическая работа, посвященная процессам в стеклянных световодах, итальянца Витольдо была опубликована в 1969 г. Но тогда мало кто из специалистов-прикладников обратил на нее внимание. Однако уже в 1975 г. проект системы управления американского палубного штурмовика А4 предусматривал использование оптических кабелей, поскольку они не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей.

Каковы же достоинства оптических волокон?

  • чрезвычайно низкие потери при практически неограниченной полосе пропускания;
  • полная нечувствительность к воздействию электромагнитных полей;
  • перспективная дешевизна материала. Уже сейчас удельная стоимость оптического кабеля на бит передаваемой информации на порядок меньше стоимости электрического. А запасы кварца (окиси кремния), в отличие от запасов меди, на Земле практически неисчерпаемы.

Первые оптические волокна, нашедшие практическое применение в системах связи, имели очень большое (по теперешним меркам) затухание — до 20 дБ/км и малую полосу пропускания — не более 300-400 МГц•км. Чтобы понять причины таких низких характеристик, придется опять вернуться к теории.

Волоконный световод, который является основным элементом оптического кабеля, представляет собой трехслойный кварцевый цилиндр — рис. 4. Внутренний цилиндр называется сердечником волокна. Он выполнен из материала, имеющего показатель преломления n 1. Именно по этому сердечнику и распространяется излучение. Средний цилиндр называется направляющей оболочкой. Она выполнена из материала с показателем преломления n 2. При этом выполняется условие:

n 1 >n 2 (2)

Внутренняя и средняя оболочки и являются собственно волоконным световодом. И, наконец, внешний цилиндр — это просто оболочка, защищающая световод от повреждений.

Рис.4

Основным материалом и сердечника и оболочки является окись кремния SiO 2 — кварц. Получают его путем специальной обработки кварцевого песка, в ходе которой его очищают от вредных примесей. Результатом этой обработки является синтетический кварц, который затем легируют специальными добавками. Производство волокна — сложный технологический процесс. Вначале из кварца изготавливают специальную заготовку, состоящую также из сердцевины и оболочки. Но только толщина их значительно больше, чем у волокна. Материал этих слоев удовлетворяет условию (2). Затем эта заготовка разогревается в печи, и через фильеру из нее вытягивается волокно. Естественно, все это дает только весьма общее представление о технологии изготовления. Самый ответственный этап — это изготовление заготовок. В ходе него достигается требуемое соотношение между показателями преломления сердцевины и оболочки. Чтобы добиться этого, вначале заготавливают кварцевый стержень, который потом послужит основой сердцевины. Для того чтобы получить материал с требуемым показателем преломления, исходный материал легируют примесями. После этого на стержень различными методами, слой за слоем наносят материал оболочки. Это тоже кварц, но уже легированный другой примесью.

Потери в сердечнике, а следовательно и в волокне, определяются двумя основными явлениями: рэлеевским рассеянием и вытеканием излучения из сердечника. Потери на рассеяние обусловлены рассеянием излучения на неоднородностях показателя преломления материала сердечника. В чистом синтетическом кварце зависимость рэлеевских потерь — П от длины волны l обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, т.е. П ~ 1/l 4. И минимальное значение потерь, обусловленных рассеянием на длине 0,85 мкм, не могло быть менее 4 дБ/км. Эта величина обусловлена физикой явлений в материале сердечника. Поэтому с учетом выходной мощности излучателей и чувствительности фотодетекторов максимальная длина первых линий не превышала 10-15 км.

Первые волокна имели ступенчатый профиль показателя преломления (рис. 3) и были многомодовые. Что значит многомодовые и хорошо это или плохо? Обратимся к рис. 2. Если на торец трехслойной пластины направить пучок световых лучей под разными углами, то они соответственно под разными углами войдут в сердечник и под разными углами будут падать на границу раздела сердечника и оболочки. Луч, у которого при распространении по световоду в траектории распространения укладывается целое число длин полуволн, называется модой световода. Количество мод, которые могут распространяться в световоде, определяется длиной волны излучения, показателями преломления сердцевины и оболочки и диаметром сердцевины. В многомодовых световодах количество разрешенных мод велико, но при этом траектории лучей значительно отличаются по длине. И существует определенное число мод, которые будут падать на границу раздела сердцевины и оболочки под углом меньше угла полного внутреннего отражения. Эти моды, вытекая из сердечника, создают дополнительные потери.

Вследствие расходимости входного луча, часть лучей будет распространяться в сердечнике таким образом, что угол падения их на границу раздела будет близок к углу полного внутреннего отражения. Так как в материале сердечника и оболочки всегда имеются неоднородности, то может оказаться, что после очередного отражения такой луч упадет на границу раздела уже под углом меньше угла полного внутреннего отражения, часть его преломится и уйдет в оболочку. Вот такие лучи и обуславливают потери за счет вытекания излучения в оболочку. Эти потери вызваны многомодовостью световода.

Уменьшения потерь и увеличения широкополосности волокна пытались добиться двумя способами: первый — улучшение качества материалов сердечника и оболочки; второй — совершенствование конструкции волокна. В результате этих поисков родилось многомодовое волокно с параболическим профилем показателя сердечника (рис. 5).

Рис.5

В таких волокнах показатель преломления сердечника изменяется по закону

N=n(kx 2), (3)

т.е. показатель преломления сердечника в центре будет больше, чем на границе с оболочкой. А известно, что скорость распространения излучения в среде зависит от ее коэффициента преломления. И если два луча падают на торец световода под разными углами, то лучи, проходящие вблизи оси сердечника, будут распространяться медленнее, чем идущие ближе к границе с оболочкой. Поэтому в таких волокнах происходит как бы самофокусировка излучения (рис. 6).

Рис.6

Такие волокна получили название градиентных. Они отличаются технологией изготовления центрального стержня заготовки. Он получается методом послойного осаждения, но для каждого из слоев используется материал с меньшим показателем преломления. Разработка градиентных волокон позволила решить три проблемы:

  • уменьшить потери за счет снижения уровня вытекающих мод;
  • расширить полосу пропускания волокна до нескольких ГГц•км;
  • улучшить условия согласования излучателя и световода.

Однако на практике уже и полосы в несколько сотен МГц было недостаточно. И теория показывала, что в принципе на основе световодов можно получить тракт, обеспечивающий скорость передачи до нескольких десятков Гбит/с на расстояние в несколько десятков и даже сотен км. Сделать это можно с помощью одномодовых световодов. Одомодовый — это световод, в котором может распространяться только одна мода. Другими словами — в таком световоде могут распространяться только лучи, идущие параллельно или очень близко к его оси. Добиться этого можно, существенно уменьшив диаметр сердечника. В пределе (теоретически) волновод будет чисто одномодовым, если его диаметр равен половине длины волны распространяющегося излучения. Однако, учитывая, что рабочая длина волны порядка 1 мкм, изготовить волновод с диаметром сердцевины 0,5 мкм практически очень сложно. Кроме того, энергия излучения, которую можно ввести в такой световод, будет чрезвычайно мала. Поэтому на практике используют квазиодномодовые волокна с диаметром сердцевины 9-10 мкм.

Основные параметры волоконных световодов

К основным параметрам можно отнести:

  • тип световода — одномодовый или многомодовый;
  • вид профиля показателя преломления;
  • длину волны отсечки;
  • рабочий участок спектра;
  • погонные потери;
  • дисперсию;
  • числовую апертуру;
  • ширину полосы пропускания.

Рабочий участок спектра.

Выше мы уже говорили о том, чем одномодовый световод отличается от многомодового, рассказывали о причинах потерь в волокне. Отмечалось, что зависимость потерь на поглощение и рассеяние в кварце можно аппроксимировать зависимостью П = 1/l 4. Однако эта зависимость справедлива только для абсолютно чистого кварца. В действительности он всегда содержит примеси, которые изменяют вид этой зависимости. Наибольший вклад вносят ионы гидроксила — ОН. Они вызывают подъем кривой затухания в области 1,4 мкм. Другие примеси, формирующие профиль показателя преломления, вызывают подъем кривой затухания, начиная с длины волны 1,55 мкм. И поэтому у современных кварцевых световодов рабочий диапазон занимает участок спектра от 1,3 до 1,55 мкм, исключая окрестности длины волны 1,4 мкм. Хотя в коротких линиях используют и участок 0,85 мкм, поскольку имеются более дешевые излучатели, работающие и на этой длине волны.

Дисперсия — это зависимость каких-либо параметров среды от частоты проходящего через нее излучения. Дисперсией в той или иной степени обладают все реальные физические среды. Не составляет исключения и материал волокна. Излучение оптических передатчиков, даже при использовании лазерных источников, не бывает строго монохроматическим. Поэтому при прохождении через световод различные частотные составляющие излучения лазера будут распространяться с различными скоростями, и если на вход световода они поступили одновременно, то выхода его они достигнут в различные моменты времени. При передаче импульсных сигналов это приведет к "расплыванию" импульса, а при передаче аналоговых — к фазовым искажениям. В волоконных световодах дисперсия связана с целым рядом факторов, и ее можно представить суммой нескольких явлений.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны рабочего излучения. Материальная дисперсия физически определяется как первая производная показателя преломления по длине волны и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Именно это ее свойство позволяет получать волокно с нулевой дисперсией. Измеряется дисперсия материала М 0(l) обычно в пс/нмкм.

Волноводная дисперсия. Даже в одномодовых световодах существует волноводная дисперсия, обусловленная тем, что часть основной моды возбуждается не только в сердцевине, но и в оболочке. При этом эта часть тем больше, чем больше длина волны. Это явление называется волноводной дисперсией М 1(l).

Сумма материальной и волноводной дисперсий называется хроматической дисперсией:

М (l) = М 0(l) + М 1(l).(4)

Из этого соотношения следует очень важный вывод. Волноводная дисперсия во всем диапазоне прозрачности кварца имеет отрицательный знак. Материальная же дисперсия может принимать как положительное, так и отрицательное значение. Следовательно, подбирая состав материала световода, можно получить волокно, у которого суммарная дисперсия на определенной длине волны будет равна нулю. Мало того, можно так подобрать материал световода, что область нулевой дисперсии и область минимальных потерь будут совпадать. Область нулевой дисперсии для одномодовых волокон располагается в примерно диапазоне 1,3-1.5 мкм. Регулируя состав материала волокна, можно изменять положение области нулевой дисперсии.

Для уменьшения потерь желательно, чтобы число мод, распространяющихся в световоде, было минимальным. Количество направляемых мод зависит от длины волны излучения, введенного в световод. Для эффективной эксплуатации важно определить длину волны, при которой в световоде распространяется только основная мода (или основной тип колебаний); она называется критической длиной волны или длиной волны отсечки световода. Ниже этой критической длины волны ближайшая мода высшего порядка исчезает. Выше, при более коротких длинах волн, возбуждаются моды высших порядков.

И поэтому оптический волновод является многомодовым для длин волн выше критических и одномодовым при более длинных длинах волн.

Поляризационно-модовая дисперсия. Даже так называемый одномодовый световод на самом деле не является одномодовым. Дело в том, что фактически основная мода является двукратно вырожденной, т.е. она всегда состоит из двух ортогонально поляризованных мод. В идеальном волокне, материал которого однороден по структуре — оптически изотропен, а сердцевина и оболочка имеют идеально круглую форму, моды обеих поляризаций распространяются с одинаковой скоростью. Однако реально из-за неизбежной асимметрии сердцевины и оболочки и неоднородностей материала возникает оптическая анизотропия (зависимость свойств от направления распространения излучения) сердечника, что приводит к различным скоростям распространения ортогонально поляризованных мод. Поэтому, если в световод ввести импульс, даже только на основной моде, то вследствие поляризационно-модовой дисперсии на его выходе будет наблюдаться импульс большей длительности. Поляризационную дисперсию характеризуют разностью времен распространения (в пс) ортогонально поляризованных мод. Она играет существенную роль в линиях со скоростями передачи выше нескольких ГГц.

Важным параметром световода является числовая апертура — NA. Именно она во многом определяет величину мощности, вводимой в световод, и требования к точности изготовления оптических разъемов. Числовая апертура определяет максимальный угол Q, под которым еще можно ввести излучение в световод. Определяется она следующим выражением:

 (5)

На рис. 7 приведена иллюстрация понятия числовой апертуры. Луч 1 падает на торец световода под углом, определяемым соотношением (5). Для него в световоде еще выполняется условие полного внутреннего отражения — (1). Для лучей, падающих на торец световода под углом большим Q, условие (1) в световоде выполняться не будет, и они очень быстро вытекут в оболочку.

Рис.7

Ширина полосы пропускания. У волоконного световода с градиентным профилем показателя преломления она ограничивается главным образом модовой дисперсией и дисперсией материала. Для одномодовых световодов вместо полосы пропускания приводят дисперсию, по которой можно наглядно рассчитать уширение импульса по формуле:

DT=M(l)DlL, (6)

где:
DT— уширение импульса, пс;
M (l) — хроматическая дисперсия, пс/нмкм;
Dl — ширина линии излучения передатчика нм;
L — длина световода, км.

После того как мы познакомились с физикой явлений в оптических волокнах, перейдем к собственно оптическим кабелям.

(см. продолжение в следующем номере)



 
Теле-Спутник Апрель 2002
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт