Понимание равновесного распределения мод важно по двум причинам.

Во-первых, потери оптической энергии - затухание - в оптическом волокне зависят от модового распределения. На коротких расстояниях, когда РРМ еще не достигнуто, потери пропорциональны длине. После достижения РРМ потери пропорциональны квадратному корню длины.

Во-вторых, модовое распределение зависит от ряда других характеристик волокна. Рассмотрим следующий пример в качестве иллюстрации. Предположим, что волокно длиной один метр соединено с переполняющим его источником света. Измеряя оптическую энергию на другом конце волокна, мы получаем значение, равное 750 микроваттам. Однако эта энергия включает энергию неэффективных мод, которая будет теряться по мере достижения РРМ. Теперь изменим условия эксперимента и обмотаем волокно вокруг сердечника малого диаметра. При этом мы инициируем достижение РРМ на небольшом расстоянии. В этом случае, возмолсно, наше измерение энергии даст значение, равное лишь 500 микроваттам.

Куда уходят недостающие 250 микроватт? Разница в 250 микроватт связана с потерями энергии, происходящими в волокне до достижения РРМ.

Для того, чтобы аккуратно сравнить два волокна, два источника света или два соединителя, нужно знать условия, при которых производители тестировали их. Если один производитель использовал полностью наполненное волокно, а другой использовал волокно, находящееся в условиях РРМ, то соответствующие результаты измерения могут существенно отличаться, даже если оба волокна полностью идентичны. Большинство современных волоконно-оптических тестовых измерений выполняются в условиях РРМ для облегчения корректного сравнения результатов.

Эффект РРМ также важен с точки зрения других характеристик волокна: численной апертуры и эффективного диаметра.

Численная апертура

Численной апертурой (Numeric aperture, NA) называется способность волокна собирать лучи. Только лучи, которые инжектируются в волокно под углами, большими критического, смогут распространяться вдоль него. NA зависит от свойств материалов волокна и определяется показателями преломления ядра и оптической оболочки:

Отметим, что NA является безразмерной величиной.

Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом, угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно. Входной конус связан с NA:

е= arcsin (NA)

NA = sine

где 6 (тета) - половина угла ввода (рис. 6.8).

NA волокна является важной характеристикой, так как она указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Волокно с

Малое значение 1\1А

Вход Выход

Входной конус Большое значение NA

Рис. 6.8. Числовая апертура (рисунок предоставлен AMP Incorporated)

большим значением NA хорошо принимает свет, в то время как в волокно с малым значением NA можно ввести только узконаправленный пучок света.

Как правило, волокна с широкой полосой пропускания имеют малые значения NA. Таким образом, они допускают существование малого числа мод, означающее малую дисперсию и более широкую рабочую полосу. Значения NA изменяются от 0.5 в пластиковом волокне до 0.2 в волокне со сглаженным профилем показателя преломления. Большое значение NA подразумевает большую модовую дисперсию и, как следствие, большее количество возможных световых траекторий.

Производители волокна обьгано не специфицируют это значение для одномодовых волокон (типичное значение NA в этом случае равно 0.11), так как NA не является критическим параметром для пользователей и разработчиков. Свет в одномодовом волокне не испытывает отражения или преломления. Таким образом, он не распространяется под углом к границе волокна. Аналогично в случае одномодового волокна свет не заводится под углами внутри входного конуса до полного внутреннего отражения, С учетом последнего можно констатировать, что в одномодовом волокне NA может быть определена чисто формально, особенного значения для практики она не имеет. В последующих главах будет показана важность значения NA для повышения производительности систем на многомодовом волокне и оценки ожидаемой эффективности работы системы.

NA волокна изменяется с расстоянием. Моды высокого порядка, которые распространяются под большими углами, близкими к критическому, быстро покидают волокно. Например, после достижения РРМ в волокне со сглаженным профилем индекса его значение NA может уменьшиться до 50%. Это означает, что на выходе из волокна свет распространяется под углами существенно меньшими, чем определяет входной конус. На рис. 6.9 представлены диаметр светового пучка внутри ядра размером 62.5 микрон в условиях полного наполнения и РРМ. Когда волокно наполнено, свет заполняет ядро целиком. При достижении состояния РРМ диаметр светового пучка составляет лишь 50 микрон. При этом NA света в свою очередь также уменьшается.

Источники и приемник также имеют свои апертуры. NA источника определяет угловую апертуру выходного света. NA детектора определяет рабочий диапазон углов для приемника. Для источника особенно важно иметь NA, согласованную с NA волокна, чтобы весь свет, излучаемый источником.

62.5 мкм

50 мкм

Рис. 6.9. Активная область передачи оптической мощности для 62.5 мкм ядра и состояния РРМ (рисунок предоставлен AMP Incorporated)

проникал в волокно и распространялся по нему. Рассогласование NA приводит к дополнительным потерям при передаче света от устройства с меньшим значением NA к устройству с большим значением.

Прочность волокна

Сгекло принято считать хрупким. Оконное стекло действительно не гнется. Однако стеклянные волокна можно согнуть в виде окружности небольшого диаметра или завязать в свободный узел, не повреждая их. (Затягивание тугого узла может повредить волокно.)

Прел прочности характеризует способность волокна или провода противостоять натяжению или изгибу без повреждения. Предел прочности волокна на разрьш превосходит ту же величину для стальной нити идентичного размера. Более того, медный проводник должен иметь вдвое больший диаметр, чтобы обеспечить тот же предел прочности, что и волокно.

Основная причина, обусловливаюшэя хрупкость волокна, - наличие мик-ротрепрш на поверхности и дефектов внутри волокна. При этом поверхностные трепданы более существенны. Поверхностные дефекты могут возрастать под воздействием растягивающей нагрузки, возникающей во время прокладки кабеля. Температурные изменения, механические и химические воздействия, обычное старение также приводят к появлению дефектов.

Расширяюпдаеся дефекты приводят к случайному обрьшу волокна. Для разрезания стекла делается узкая царапина на его поверхности. Затем, в результате резкого надлома, стекло трескается вдоль царапины. Аналогичный процесс происходит и в волокне. Скрытые дефекты действуют аналогично царапине на поверхности стекла. Как только к волокну прикладьшается достаточно сильное растягивающее напряжение, дефекты растут внутри волокна до тех пор, пока оно не разрывается.