Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, также как радиоволны, теле-, радио- и радиолокационные сигналы. Электромагнитные волны (рис. 3.1) представляют собой переменные магнитные и электрические поля, перпендикулярные друг другу и направлению распространения (рис. 3.1).
Рис. 3.1 Электромагнитная волна
Главное отличие различных электромагнитных волн заключается в их частоте или длине волны. Частота определяется числом синусоидальных колебаний за секунду и выражается в герцах (Гц). Длина волны - это расстояние между идентичными точками двух последовательных волн (или расстояние, которое проходит волна за один цикл колебаний). Длина волны и частота взаимосвязаны. Длина волны (λ) равна скорости волны (ν), деленной на ее частоту (f):
λ=ν/f
Волны оптического диапазона можно разделить на три больших группы: инфракрасные, видимый свет с длинами волн от приблизительно 400 до 700 нм, и ультрафиолетовые. Длина волны, используемая в волоконной оптике, соответствует характеристикам передачи конкретного волокна. Большинство оптических волокон используют кварцевое стекло, которое наиболее прозрачно в ближней инфракрасной зоне, от 700 до 1600 нм. Пластиковые волокна лучше всего работают в видимой зоне.
Оценим ширину полосы оптического диапазона от λ1 = 750 нм до λ2 = 860 нм (приблизительно первое окно прозрачности). Зная скорость света с = 3*10 8 м/с, получим соответственно f1 = 4*1014 Гц = 400 ТГц и f2 = 350 ТГц. Следовательно, частотный интервал ΔF=50 ТГц. Для сравнения: весь диапазон частот - от звукового диапазона до верхней частоты СВЧ диапазона составляет только 30 ГГц, то есть в 1600 раз меньше оптического. Число ТВ каналов, которое умещается в этом частотном интервале, составит m = 5*106. Это говорит о колоссальной емкости оптического волокна.
Электромагнитная природа оптического (светового) излучения означает, что строгое исследование процесса распространения световых волн в ОВ может быть выполнено лишь на основе уравнений электродинамики (уравнений Максвелла). Это сложная задача даже при рассмотрении простейших ОВ. Поэтому процесс распространения световых волн рассмотрим методами геометрической оптики, которые отличаются простотой и наглядностью.
Известно, что в геометрической оптике световые волны изображают лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. В оптически однородных средах лучи прямолинейны. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух оптически прозрачных диэлектриков в общем случае появляются отраженная и преломленная (прошедшая) волны.
В соответствии с законами Снеллиуса угол падения φ связан с углами отражения φотр, преломления φпр (рис. 3.2, а) следующими соотношениями:
φ= φотр, n1sinφ = n2sinφnp, (3.1)
где n1 и n2 - показатели преломления смежных сред.
Рис. 3.2 Пояснение волновых процессов на границе двух сред при n1 > n2
Если n1 > n2, т.е. световая волна падает из оптически более плотной среды на границу раздела с оптически менее плотной средой, то, согласно (3.1), всегда существует критический (предельный) угол падения φ = φкр, при котором φпр= π/2, т.е. преломленная волна распространяется вдоль границы раздела сред:
sinφкр= n2/n1, φкр= arcsin(n2/n1).
Предельный режим показан на рисунке 3.2, б.
При всех углах падения φ > φкр преломленная волна отсутствует, и свет полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды (рис. 3.2, в). Это явление называется полным внутренним отражением.
Таким образом, как фактически распространяется свет по ОВ, лучше всего объяснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упрощенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор, пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела.
Конструкция ОВ
Оптическое волокно состоит из внутренней сердцевины и окружающей ее оболочки. Любые дополнительные покрытия (оболочки) являются защитными.
На рисунке 3.3 показано оптическое волокно и составляющие его части.
Рис. 3.3 Основная конструкция оптического волокна
Сердцевина - светопередающая часть волокна, изготовляется либо из стекла, либо из пластика. Чем больше диаметр сердцевины, тем большее количество света может быть передано по волокну. То есть сердцевина оптического волокна является оптическим каналом, по которому распространяется световое излучение.
Оболочка обеспечивает переотражение света в сердцевину волокна таким образом, чтобы световые волны распространялись только по сердцевине волокна, то есть обеспечивает канализацию светового излучения по сердцевине волокна.
Защитная оболочка обеспечивает прочность волокна, поглощение ударов и дополнительную защиту волокна от воздействия окружающей среды. Такие буферные оболочки обычно бывают многослойными, изготовляются из пластика и имеют толщину от 250 до 900 мкм. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет сердцевину и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства.
Обычно показатель преломления сердцевины обозначают как n1, а показатель преломления оболочки обозначают как п2. ОВ спроектировано так, что п1 > п2. Кварцевое стекло (SiO2) является основным материалом как для сердцевины, так и оболочки. Для подгонки нужных значений показателя преломления используются легирующие примеси. Показатель преломления оптической оболочки менее чем на 1% меньше показателя преломления сердцевины. Производители волокна строго контролируют разность показателей для получения нужных характеристик волокна.
Размер волокна в общем случае определяется внешними диаметрами его сердцевины, оболочки и защитной оболочки. Геометрические размеры сердцевины, оболочки и защитной оболочки волокна записываются через наклонную чёрточку. Например, запись геометрических параметров волокна в виде 50/125/250 обозначает, что волокно имеет диаметр сердцевины 50 мкм, диаметр оболочки 125 мкм и диаметр защитной оболочки 250 мкм. Заметим, что диаметр оптического волокна соизмерим с диаметром человеческого волоса, который составляет 150-200 мкм.
Окна прозрачности ОВ. Оптические волокна используют кварцевое стекло, которое имеет минимальное затухание в ближней инфракрасной зоне, от 700 до 1600 нм. Основная характеристика ОВ это затухание, которое зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности (ОП) кварцевого ОВ, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием (рис. 3.4). На заре своего развития оптические волокна работали в трех окнах прозрачности.
Первое окно прозрачности использовалось в 1970-х годах в первых линиях связи на многомодовых волокнах. Тогда полупроводниковые источники излучения выпускались промышленностью только на длину волны 850 им (GaAs). В настоящее время из-за большой величины потерь в волокнах этот диапазон используется в основном в локальных вычислительных сетях.
Рис. 3.4 Спектральная зависимость коэффициента затухания ОВ
Второе окно прозрачности (О) стало использоваться в 1980-х годах в линиях дальней связи, после того как на базе тройных и четверных гетероструктур были разработаны источники излучения на длину волны 1310 нм. В это окно попадает и длина волны нулевой дисперсии SM волокон. В настоящее время второе окно прозрачности используется преимущественно в городских и зоновых линиях.
Третье окно прозрачности (С) было освоено в начале 1990-х годов. В него попадает абсолютный минимум поглощения в кварцевом волокне. Так как SM волокна обладают в третьем окне прозрачности большой дисперсией, то было разработано DS волокно с длиной волны нулевой дисперсии, смещенной в это окно. Третье окно наиболее широко используется в магистральных линиях (Ростелекомом и другими крупными операторами связи).
В последнее время с совершенствованием технологий изготовления оптических волокон третье и прилегающие к нему четвертое и пятое окна прозрачности вызывают повышенный интерес.
Четвертое окно прозрачности (L) позволяет передвинуть длинноволновую границу DWDM систем на 1620 нм. Для работы одновременно в третьем и четвертом окнах прозрачности используются оптические усилители с увеличенной шириной полосы частот и NZDS волокна с малым углом наклона дисперсионных кривых.
Пятое окно прозрачности (S) появилось после создания волокна All Wave. В этом волокне в результате тщательной очистки его от посторонних включений потери в «водяном» пике на длине волны 1390 нм были снижены до 0,31 дБ/км.
Международный союз электросвязи (ITU-Т) утвердил новые спектральные диапазоны в интервале длин волн 1280...1675 нм (таблица 3.1).
Таблица 3.1 Спектральные диапазоны для одномодовых волокон
Первый
780…860 нм
Первый
О-диапазон
1280...1360 нм
Основной (Original)
E-диапазон
1360...1460 нм
Расширенный (Extended)
S-диапазон
1460...1530 нм
Коротковолновый (Short wavelength)
C-диапазон
1530...1565 нм
Стандартный (Conventional)
L-диапазон
1565...1625 нм
Длинноволновый (Long wavelength)
U-диапазон
1625...1675 нм
Сверхдлинный (Ultra-long wavelength)
Сравнивая величину коэффициента затухания ОВ с коэффициентом затухания электрических кабелей, рассмотренных выше, видим колоссальное преимущество ОВ.
Методы изготовления ОВ
Оптические волокна, используемые в ВОЛС, изготавливают главным образом из плавленого кварца (SiO2). Достоинство его перед другими оптически прозрачными диэлектриками - минимальное затухание оптических сигналов.
Технологический процесс производства крайне сложен, разрабатывался на протяжении многих лет и происходит в два этапа: изготовление заготовки и вытягивание волокна.
Заготовка представляет собой стержень из кварцевого стекла, имеющий тот же профиль показателя преломления, что и получаемое из него ОВ. Диаметр стержня составляет 15...20 мм, а длина - от одного до нескольких метров. Из одной заготовки можно получить 50...200 км волокна с диаметром 125 мкм.
При изготовлении заготовок обычно используют метод парофазного осаждения. В основе метода лежит реакция окисления высокочистых газовых компонентов (например, SiCl4, GeCl4), в результате которой образуются SiO2 и GeO2. В зависимости от того, где образуются частицы стекла - на внешней поверхности несущего керамического стержня или на внутренней поверхности кварцевой исходной трубки - различают методы внешнего и внутреннего (осевого) парофазного осаждения.
Основные этапы производства заготовок методом внешнего парофазного осаждения представлены на рис. 3.5. В горелку наподобие бунзеновской вместе с горючим газом подают смесь хлоридов и чистого кислорода. В жарком пламени горелки (до 1600 °С) кремний и кислород воссоединяются и рождаются мелкие порошкообразные частицы высокочистого кварцевого стекла (SiO2), а «отделившийся» в самостоятельный газ хлор улетучивается через вытяжной колпак. Поток частиц кварцевого стекла направляется на вращающийся и перемещающийся на расстояние 15 см относительно горелки керамический стержень малого диаметра. Изменением концентрации газовых добавок (GeCI4 и др.) можно изменять показатель преломления от слоя к слою и получить необходимый профиль показателя преломления заготовки.
Рис. 3.5 К пояснению процесса внешнего парофазного осаждения: 1) стержень; 2) осаждающий слой; 3) горелка
За 1 мин на стержне осаждается 0,5-1,0 г стекла. После того как толщина слоя стекла достигает нужного размера, процесс останавливают и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. Получается стеклянная трубка, а нужна сплошная цилиндрическая заготовка. Как быть? Что делать дальше?
Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заготовки пламенем приблизительно до 1900 °С. За счет сил поверхностного натяжения, возникающих в размягченной трубке, происходит схлопывание (есть такой специальный термин) трубчатого цилиндра в сплошной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тонкое оптическое волокно.
Метод внешнего парофазного осаждения отличается высокой производительностью и получил наибольшее распространение на практике. Однако его существенным недостатком является повышенное содержание ионов ОН- в заготовке, что приводит к возрастанию потерь в ОВ. ОВ, практически не содержащие побочных примесей, получают из заготовок, образованных методом внутреннего парофазного осаждения (рис. 3.6).
Рис. 3.6 К пояснению процесса внутреннего парофазного осаждения: 1) трубка; 2) осаждающий слой; 3) продукты реакции
В кварцевую трубку, из которой в дальнейшем образуется оболочка ОВ, вводится смесь необходимых газов (SiCI4, O2 и добавки). Газовая горелка, находящаяся снаружи, нагревает трубку до температуры, необходимой для окисления в газовой фазе. Трубка вращается, а горелка перемещается относительно трубки. Реакция окисления происходит внутри трубки, что вызывает осаждение частиц стекла на ее внутренней поверхности.
После того как толщина слоя достигает требуемого размера, процесс парофазного осаждения прекращается. Затем трубчатая заготовка разогревается в печи до размягчения и под действием сил поверхностного натяжения превращается в сплошной стержень.
Осаждение стекла на внутренней поверхности трубки практически исключает загрязнение извне. Кроме того, реакция окисления происходит в отсутствие водородосодержащих компонентов (например, горючего газа), благодаря чему концентрация ионов ОН- очень мала. Однако внутреннее осаждение существенно замедляет процесс изготовления заготовки и ограничивает ее длину.
Рис. 3.1 Электромагнитная волна
Главное отличие различных электромагнитных волн заключается в их частоте или длине волны. Частота определяется числом синусоидальных колебаний за секунду и выражается в герцах (Гц). Длина волны - это расстояние между идентичными точками двух последовательных волн (или расстояние, которое проходит волна за один цикл колебаний). Длина волны и частота взаимосвязаны. Длина волны (λ) равна скорости волны (ν), деленной на ее частоту (f):
λ=ν/f
Волны оптического диапазона можно разделить на три больших группы: инфракрасные, видимый свет с длинами волн от приблизительно 400 до 700 нм, и ультрафиолетовые. Длина волны, используемая в волоконной оптике, соответствует характеристикам передачи конкретного волокна. Большинство оптических волокон используют кварцевое стекло, которое наиболее прозрачно в ближней инфракрасной зоне, от 700 до 1600 нм. Пластиковые волокна лучше всего работают в видимой зоне.
Оценим ширину полосы оптического диапазона от λ1 = 750 нм до λ2 = 860 нм (приблизительно первое окно прозрачности). Зная скорость света с = 3*10 8 м/с, получим соответственно f1 = 4*1014 Гц = 400 ТГц и f2 = 350 ТГц. Следовательно, частотный интервал ΔF=50 ТГц. Для сравнения: весь диапазон частот - от звукового диапазона до верхней частоты СВЧ диапазона составляет только 30 ГГц, то есть в 1600 раз меньше оптического. Число ТВ каналов, которое умещается в этом частотном интервале, составит m = 5*106. Это говорит о колоссальной емкости оптического волокна.
Электромагнитная природа оптического (светового) излучения означает, что строгое исследование процесса распространения световых волн в ОВ может быть выполнено лишь на основе уравнений электродинамики (уравнений Максвелла). Это сложная задача даже при рассмотрении простейших ОВ. Поэтому процесс распространения световых волн рассмотрим методами геометрической оптики, которые отличаются простотой и наглядностью.
Известно, что в геометрической оптике световые волны изображают лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. В оптически однородных средах лучи прямолинейны. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух оптически прозрачных диэлектриков в общем случае появляются отраженная и преломленная (прошедшая) волны.
В соответствии с законами Снеллиуса угол падения φ связан с углами отражения φотр, преломления φпр (рис. 3.2, а) следующими соотношениями:
φ= φотр, n1sinφ = n2sinφnp, (3.1)
где n1 и n2 - показатели преломления смежных сред.
Рис. 3.2 Пояснение волновых процессов на границе двух сред при n1 > n2
Рис. 3.3 Основная конструкция оптического волокна
Сердцевина - светопередающая часть волокна, изготовляется либо из стекла, либо из пластика. Чем больше диаметр сердцевины, тем большее количество света может быть передано по волокну. То есть сердцевина оптического волокна является оптическим каналом, по которому распространяется световое излучение.
Оболочка обеспечивает переотражение света в сердцевину волокна таким образом, чтобы световые волны распространялись только по сердцевине волокна, то есть обеспечивает канализацию светового излучения по сердцевине волокна.
Защитная оболочка обеспечивает прочность волокна, поглощение ударов и дополнительную защиту волокна от воздействия окружающей среды. Такие буферные оболочки обычно бывают многослойными, изготовляются из пластика и имеют толщину от 250 до 900 мкм. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет сердцевину и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства.
Обычно показатель преломления сердцевины обозначают как n1, а показатель преломления оболочки обозначают как п2. ОВ спроектировано так, что п1 > п2. Кварцевое стекло (SiO2) является основным материалом как для сердцевины, так и оболочки. Для подгонки нужных значений показателя преломления используются легирующие примеси. Показатель преломления оптической оболочки менее чем на 1% меньше показателя преломления сердцевины. Производители волокна строго контролируют разность показателей для получения нужных характеристик волокна.
Размер волокна в общем случае определяется внешними диаметрами его сердцевины, оболочки и защитной оболочки. Геометрические размеры сердцевины, оболочки и защитной оболочки волокна записываются через наклонную чёрточку. Например, запись геометрических параметров волокна в виде 50/125/250 обозначает, что волокно имеет диаметр сердцевины 50 мкм, диаметр оболочки 125 мкм и диаметр защитной оболочки 250 мкм. Заметим, что диаметр оптического волокна соизмерим с диаметром человеческого волоса, который составляет 150-200 мкм.
Окна прозрачности ОВ. Оптические волокна используют кварцевое стекло, которое имеет минимальное затухание в ближней инфракрасной зоне, от 700 до 1600 нм. Основная характеристика ОВ это затухание, которое зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности (ОП) кварцевого ОВ, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием (рис. 3.4). На заре своего развития оптические волокна работали в трех окнах прозрачности.
Первое окно прозрачности использовалось в 1970-х годах в первых линиях связи на многомодовых волокнах. Тогда полупроводниковые источники излучения выпускались промышленностью только на длину волны 850 им (GaAs). В настоящее время из-за большой величины потерь в волокнах этот диапазон используется в основном в локальных вычислительных сетях.
Рис. 3.4 Спектральная зависимость коэффициента затухания ОВ
Второе окно прозрачности (О) стало использоваться в 1980-х годах в линиях дальней связи, после того как на базе тройных и четверных гетероструктур были разработаны источники излучения на длину волны 1310 нм. В это окно попадает и длина волны нулевой дисперсии SM волокон. В настоящее время второе окно прозрачности используется преимущественно в городских и зоновых линиях.
Третье окно прозрачности (С) было освоено в начале 1990-х годов. В него попадает абсолютный минимум поглощения в кварцевом волокне. Так как SM волокна обладают в третьем окне прозрачности большой дисперсией, то было разработано DS волокно с длиной волны нулевой дисперсии, смещенной в это окно. Третье окно наиболее широко используется в магистральных линиях (Ростелекомом и другими крупными операторами связи).
В последнее время с совершенствованием технологий изготовления оптических волокон третье и прилегающие к нему четвертое и пятое окна прозрачности вызывают повышенный интерес.
Четвертое окно прозрачности (L) позволяет передвинуть длинноволновую границу DWDM систем на 1620 нм. Для работы одновременно в третьем и четвертом окнах прозрачности используются оптические усилители с увеличенной шириной полосы частот и NZDS волокна с малым углом наклона дисперсионных кривых.
Пятое окно прозрачности (S) появилось после создания волокна All Wave. В этом волокне в результате тщательной очистки его от посторонних включений потери в «водяном» пике на длине волны 1390 нм были снижены до 0,31 дБ/км.
Международный союз электросвязи (ITU-Т) утвердил новые спектральные диапазоны в интервале длин волн 1280...1675 нм (таблица 3.1).
Таблица 3.1 Спектральные диапазоны для одномодовых волокон
Рис. 3.5 К пояснению процесса внешнего парофазного осаждения: 1) стержень; 2) осаждающий слой; 3) горелка
За 1 мин на стержне осаждается 0,5-1,0 г стекла. После того как толщина слоя стекла достигает нужного размера, процесс останавливают и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. Получается стеклянная трубка, а нужна сплошная цилиндрическая заготовка. Как быть? Что делать дальше?
Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заготовки пламенем приблизительно до 1900 °С. За счет сил поверхностного натяжения, возникающих в размягченной трубке, происходит схлопывание (есть такой специальный термин) трубчатого цилиндра в сплошной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тонкое оптическое волокно.
Метод внешнего парофазного осаждения отличается высокой производительностью и получил наибольшее распространение на практике. Однако его существенным недостатком является повышенное содержание ионов ОН- в заготовке, что приводит к возрастанию потерь в ОВ. ОВ, практически не содержащие побочных примесей, получают из заготовок, образованных методом внутреннего парофазного осаждения (рис. 3.6).
Рис. 3.6 К пояснению процесса внутреннего парофазного осаждения: 1) трубка; 2) осаждающий слой; 3) продукты реакции
В кварцевую трубку, из которой в дальнейшем образуется оболочка ОВ, вводится смесь необходимых газов (SiCI4, O2 и добавки). Газовая горелка, находящаяся снаружи, нагревает трубку до температуры, необходимой для окисления в газовой фазе. Трубка вращается, а горелка перемещается относительно трубки. Реакция окисления происходит внутри трубки, что вызывает осаждение частиц стекла на ее внутренней поверхности.
После того как толщина слоя достигает требуемого размера, процесс парофазного осаждения прекращается. Затем трубчатая заготовка разогревается в печи до размягчения и под действием сил поверхностного натяжения превращается в сплошной стержень.
Осаждение стекла на внутренней поверхности трубки практически исключает загрязнение извне. Кроме того, реакция окисления происходит в отсутствие водородосодержащих компонентов (например, горючего газа), благодаря чему концентрация ионов ОН- очень мала. Однако внутреннее осаждение существенно замедляет процесс изготовления заготовки и ограничивает ее длину.