Оптическое волокно

Современное оптическое волокно состоит как минимум из двух компонентов: сердцевины (core) и оболочки (cladding). Снаружи волокно покрывается защитным покрытием. В ВОЛС используют оптоволоконные кабели, которые состоят из десятков и сотен волокон.

Оптоволоконный кабель и поперечное сечение оптического волокна И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно типа "стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. На практике показатель преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на величину порядка 1%. Величина NA= sin jкр, (где jкр=900-aкр, т. е. критический угол, измеряемый относительно оси световода) - одна из главных характеристик оптоволокна, называемая числовой апертурой (NA, numeric aperture). Приведенную формулу апертуры удобно привести к другому виду: NA=(2n Dn)1/2, где n - среднее арифметическое показателей преломления оболочки и сердцевины, а Dn - их разность. Какая должна быть апертура - большая или малая? Если на входе световода мы имеем изотропный источник, то есть излучающий равную мощность во всех направлениях и при этом имеющий диаметр, меньший, чем диаметр световода, то доля мощности источника а, вводимой в световод, будет пропорциональна квадрату апертуры: а =(NA)2 Значит, чем больше апертура, тем большая доля излучения источника попадает в световод и тем мощнее сигнал. На практике апертуру можно увеличить за счет параметра Dn, используя, например, стеклянную сердцевину без оболочки (то есть с оболочкой из воздуха).

65. Оптические мультиплексоры…

Грубое спектральное мультиплексирование – CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) – это технология передачи данных, позволяющая одновременную передачу нескольких потоков данных по одной паре или одному оптическому волокну.

CWDM основывается на методе уплотнения оптических каналов, отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм. Принцип данного метода заключается в том, что каждый информационный поток, передается при помощи своей оптической несущей. С помощью специальных устройств – оптических мультиплексоров – потоки объединяются в один оптический сигнал, который вводится в оптическое волокно. На приемной стороне производится обратная операция – демультиплексирование, осуществляемая с применением оптических демультиплексоров.

Оптические мультиплексоры/демультиплексоры являются центральными элементами WDM-систем. Они выполняют функцию объединения/разделения в пространстве спектральных каналов и фактически осуществляют пассивную маршрутизацию по длинам волн. Существуют различные оптические методы объединения и разделения нескольких каналов в одном волокне.

В мультиплексорах и демультиплексорах DWDM и CWDM могут быть использованы оптические узкополосные фильтры, каждый из которых выделяет из составного полихроматического светового пучка (или добавляет в него) один монохроматический пучок с определенной длиной волны. Располагая последовательно устройства ввода с разными длинами волн, можно получить мультиплексор с любым числом каналов (рис. 5). В качестве узкополосных оптических фильтров обычно применяются тонкопленочные фильтры или волоконные брэгговские дифракционные решетки (рис. 6).

Тонкопленочный фильтр состоит из нескольких слоев прозрачного диэлектрического материала с различными показателями преломления, нанесенных последовательно друг за другом на оптическую подложку. На каждой границе раздела между слоями из-за различия их показателей преломления часть падающего светового пучка зеркально отражается в соответствии с законом Френеля. В зависимости от длины волны фазовые задержки между компонентами света, отраженными от разных слоев, приводят к интерференционному сложению или гашению отраженного света. В общем случае чем уже требуется полоса пропускания фильтра, тем большее число слоев необходимо нанести на подложку. Тонкопленочные фильтры имеют достаточно узкую полосу отражения и используются в системах CWDM, а также в системах DWDM с числом каналов до 32. В современных системах с более плотным расположением каналов используют другие технологии.

Волоконная брэгговская решетка – это отрезок волокна с определенной пространственной периодической структурой. Пространственная периодическая структура является объемной дифракционной решеткой – брэгговской решеткой. Брэгговская решетка отражает свет определенного диапазона длин волн и пропускает свет всех остальных длин волн. Центральная длина волны λ0 спектра отражения определяется периодом Λ решетки: λ0 = 2nΛ, где n – эффективный показатель преломления волокна.

Дифракционные решетки отражают световой пучок некоторой длины волны под таким углом в плоскости падения, для которого разность набегов фаз от соседних элементов решетки равна 2. Величина этого угла зависит от длины волны. Необходимость совмещения волоконных элементов с объемными делает устройства на основе дифракционных решеток дорогими и сложными в производстве. Однако вносимые ими потери практически не зависят от числа каналов, что делает эту технологию одной из наиболее привлекательных для использования в системах с большим числом каналов.