Количество мод в волокне

Число мод, допускаемых волокном, в известной степени определяет его информационную емкость. В частности, модовая дисперсия приводит к расширению импульсов и их перекрытию, что в свою очередь ограничивает скорость передачи данных по оптическому волокну. Дисперсия зависит oт длины волны и диаметра ядра.

Введем число V, нормированную частоту, которая выражается через диаметр ядра, длину волны распространения света и волоконную характеристику NA:

V=2πd(NA)/λ

Данное число V полностью определяет число мод, допускаемых волокном. Для простого волокна со ступенчатым индексом количество мод приблизительно определяется выражением:

N=V2/2

Для волокна со сглаженным профилем показателя преломления число мод равно:

N=V2/4

Из уравнений видно, что число мод определяется диаметром ядра, волоконным коэффициентом NA и длиной распространения волны. Число мод в волокне со сглаженным индексом примерно в два раза меньше числа мод в волокне со ступенчатым индексом, имеющим те же значения NA и диаметра ядра. Волокно с диметром ядра 50 микрон поддерживает около 1000 мод.

Когда число V волокна со ступенчатым индексом становится равным 2.405, волокно поддерживает только одну моду. Число V может быть уменьшено за счет уменьшения диаметра ядра, увеличения рабочей длины волны или уменьшения NA. Таким образом, одномодовый режим передачи сигнала по волокну может быть обеспечен настройкой этих параметров.

Рисунок, приведенный ниже, демонстрирует число мод, поддерживаемых тремя различными видами распространенных волокон, работающих на двух различных длинах волн. Для одного и того же волокна переход с рабочей длины волны 1300 нм на длину волны 850 нм приводит к увеличению числа поддерживаемых волокном мод почти в два раза. Аналогично, уменьшение диаметра ядра также существенно уменьшает число мод.

Число мод волокон для двух длин волн

Теория распространения света (часть 1)

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, также как радиоволны, теле-, радио- и радиолокационные сигналы, рентгеновские лучи и, наконец, электронные цифровые импульсы. Электромагнитная, энергия - это энергия излучения, распространяющаяся в свободном пространстве со скоростью около 300000 км/сек.

Электромагнитные волны представляют собой переменные магнитные и электрические поля, перпендикулярные друг другу и направлению распространения. Часто электромагнитной волны изображаются синусоидальной кривой.

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 (v), деленной на ее частоту (f):

λ = v/f

Электромагнитная волна

В свободном пространстве или воздухе скорость электромагнитной волны равна скорости света.

Из приведенного уравнения следует, что чем выше частота, тем короче длина волны. Например, 50-герцевое переменное напряжение, используемое в быту, имеет длину волны, равную 3100 милям. Частота видимого красного света составляет 430 ТГц (430 х 1012 Гц) и длину волны, равную всего лишь 700 нм (нанометр равен одной миллиардной доле метра).

В электронике принято говорить о частоте сигнала, в то время как в волоконной оптике чаще говорят о длине волны. Отметим, однако, что частота и длина волны однозначно соответствуют друг другу.

Электромагнитный спектр

Электромагнитное излучение образует непрерывный частотный спектр, простирающийся от ультразвука к радиоволнам, микроволновому излучению, рентгеновским лучам и далее (электромагнитное излучение существует в ультразвуковом частотном диапазоне, однако, звук сам по себе представляет скорее колебание плотности воздуха, чем электромагнитное излучение).

Ниже на рисунке представлен рассматриваемый спектр. Радиочастоты, обычно используемые для передачи информации, находятся в этом спектре чуть ниже световых частот.

Электромагнитный спектр

Таким образом, свет представляет собой электромагнитное излучение с большей частотой и более короткой длиной волны по сравнению с радиоволнами. На рисунке видно, что видимая область спектра составляет лишь малую часть всего светового диапазона. Она имеет длины волн в диапазоне от 380 нм (темнофиолетового) до 750 нм (темнокрасного). Длины волн инфракрасного света больше длин волн видимого света. В то же время ультрафиолетовый свет имеет более короткие длины волн. Большинство волоконно-оптических систем используют инфракрасный свет с длинами волн в диапазоне между 800 и 1500 нм, поскольку стекло является более прозрачным для инфракрасного излучения, чем для видимого света.

Высокие частоты света представляют большой интерес с точки зрения коммуникационной технологии. Более высокие частоты несущей волны означают большую скорость передачи информации. Технология волоконной оптики позволяет использовать потенциальную возможность света и обеспечивать высокую скорость передачи информации.
Волны и частицы

До сих пор мы рассматривали свет в виде колебаний электромагнитных волн. Они распространяются во всем пространстве, не имея определенной пространственной локализации. В физике все виды материи разделяются по природе либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны - в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.

Частицы света называются фотонами. Фотоны представляют собой квант, или пакет излучения. Квант является элементарной единицей излучения - нельзя наблюдать половину или 5.33 кванта. Количество энергии, переносимое фотоном, зависит от его частоты. Количество энергии увеличивается с ростом частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии. Длинам волн фиолетового диапазона соответствует большее количество энергии, чем красному свету, так как фиолетовому диапазону соответствуют большие частоты. Энергия Е (в ваттах), запасенная в одном фотоне, равна Е = hf, где

f - его частота
h - постоянная Планка, равная 6.63 х 10-34 Дж-сек (джоуль-секунда).

Из этого уравнения видно, что энергия фотона зависит только от его частоты (или длины волны). Энергия фотона пропорциональна частоте. Квант энергии света, заключенной в одном фотоне, равен hf.

Существует несколько уровней энергии для различных высокочастотных длин волн. Отметим, что чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.

Инфракрасный свет (1013 Гц) - 6.63x10-20Дж-сек
Видимый свет (1014 Гц) - 6.63x10-19Дж-сек
Ультрафиолетовый свет (1015 Гц) - 6.63x10-18Дж-сек
Рентгеновские лучи (1018 Гц) - 6.63x10-15Дж-сек

Фотон является странной частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то он не существует. В этом смысле фотон не является частицей.

В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну. Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, многие характеристики оптического волокна основаны на длине волны и свет рассматривается как волна. С другой стороны, испускание света источником или его поглощение детектором лучше описывается теорией частиц. Описание работы детектора основано на фотонах, попадающих на детектор и поглощаемых им. Выделяемая энергия обеспечивает электрический ток в цепи. Светоизлучающие диоды (СИД) работают на принципе передачи энергии от электронов к фотонам, энергия которых определяет дайну волны излучаемого света.

Теория распространения света (часть 2)