Основы технологии WDM

I. Основы технологии WDM I.1 Общие положения

В волоконно-оптических   системах   связи,   растущие   потребности   в

пропускной способности каналов обусловили необходимостью усовершенствования систем передачи информации в направлении увеличения скорости передачи.

     Оптическое волокно способно передавать огромное количество информации благодаря очень высокой частоте световых волн (1014 Гц). Поэтому развитие и внедрение оптических технологий в телекоммуникации являются основным путем удовлетворения роста потребностей общества в обмене информацией. Первым шагом удовлетворения таких требования является применение технологии TDM (Time Division Multiplexing), которая широко используется в обычных системах электросвязи.

     Эта технология предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал. Входные каналы по очереди модулируют высокочастотную несущую в течение выделенных им коротких промежутков времени (тайм-слотов), которые периодически повторяются. Рис 1.1.






















Рис.1.1Типовая схема системы TDM


     Мультиплексор на одной стороне канала связи собирает данные со всех источников и передает их по волокну в течение соответствующих тайм-слотов. Демультиплексор на другой стороне линии связи выделяет тайм-слоты, считывает данные и передает их соответствующим пользователям уже в виде единых выходных потоков.

     Использование технологии TDM позволило увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи до 10 Гбит/с. Линии со скоростью 10 Гбит/с будут постепенно заменять первоначально использовавшиеся системы TDM со скоростью 2,5 Гбит/с. Скорость передачи 10 Гбит/с в некотором роде разграничивает два типа систем TDM. Выше этой скорости некоторые основные характеристики оптического волокна (поляризационная модовая дисперсия, хроматическая дисперсия) начинают значительно влиять на качество передачи и должны приниматься во внимание при разработке систем связи. Дальнейшее повышение пропускной способности путем увеличения скорости передачи при

помощи временного мультиплексирования огранивается не только технологическим сложностями при электронном временном уплотнении, но и ограничениями, вызванными хроматической дисперсией и поляризационной модовой дисперсией оптических импульсов в процессе их распространения в оптическом волокне.


     Для решения указанной выше задачи стало использоваться наиболее перспективной технологией, которая позволяет создавать гибкие разветвленные оптические сети с практически неограниченными возможностями роста полосы пропускания называемая технология волнового мультиплексирования WDM (Wavelength Division Multiplexing).

     Суть технологии WDM заключается в том, что по одному оптическому волокну одновременно передаются несколько информационных каналов на разных длинах волн, что позволяет максимально эффективно использовать возможности

оптического волокна. Технология WDM позволяет многократно увеличить пропускную способность ВОЛС, не прокладывая новые кабели и не устанавливая на каждое волокно новое оборудования. Работать с несколькими каналами в одном волокне намного удобнее, чем с несколькими волокнами, так как для обработки любого числа каналов в волокне требуется лишь один мультиплексор WDM, один демультиплексор WDM и соответствующее расстоянию число оптических усилителей [3].

     Первые реализации технологии WDM представляли собой системы на два оптических канала с длинами волн 850 и 1310 нм и/или 1310 и 1550 нм. Главным достоинством таких систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью отсутствует влияние каналов друг на друга. Этот способ позволяет либо удвоить скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную связь [7]. По мере освоения третьего окна прозрачности (1550 нм) появились сначала четырехканальные системы передачи с расстоянием между каналами ??к = 8…10 нм и затем высокоскоростные системы на 8-16 каналов, с передачей по каждому из них сигналов СЦИ со скоростью до 2,5 Гбит/с, и спектральным интервалом между ними ??к = 1,6 нм и менее. Техническая реализация таких систем стала возможной благодаря созданию к тому времени широкополосных волоконно-оптических эрбиевых усилителей (EDFA), способных одновременно усиливать многоканальный (многоволновый) сигнал, позволяя тем самым осуществлять его ретрансляцию.

I.2 Принципы работы и структура DWDM- систем

     Функциональная схема, поясняющая технологию DWDM, показана на рис. 1.2. Для простоты приведено одно направление передачи и показан ввод и вывод компонентных сигналов разных технологий




























Рис. 1.2 Структурная схема аппаратуры WDM




     Система DWDM во многом похожа на традиционную систему TDM. Сигналы разных длин волн, генерируемые одним или несколькими оптическими передатчиками, объединяются мультиплексором в многоканальный составной оптический сигнал, который далее распространяется по оптическому волокну. При этом для увеличения расстояния передачи на линии связи устанавливается усилитель оптической мощности (booster amplifier, BA), а с некоторым интервалом вдоль волокна устанавливаются линейные оптические усилители (line amplifier, LA). На приемной стороне сигнал с выхода оптического волокна усиливается оптическим предусилителем (preamplifier, PA) (рис. 1.2). Оптический демультиплексор принимает составной сигнал, разделяет его по разным длинам волн и направляет их на соответствующие фотоприемники. Транспондеры

применяются для преобразования оптических сигналов в электрические и обратного преобразования электрических сигналов в оптические. Помимо этой главной задачи, транспондеры, поступающий на вход транспондера оптический сигнал детектируется, а затем восстанавливаются фотоприемником. Очевидно, что при полном восстановлении цифрового сигнала (режиме 3R-регенерация, 3R-reamplifying, resharping, retiming) транспондер должен быть согласован с входным сигналом. Иногда транспондер называют трансивером. В отличие от транспондера в волновом конверторе не производится преобразование оптического сигнала в электрический и обратно. Если внутри WDM системы частоты одних WDM устройств не совпадают с частотами других, но при этом все эти частоты входят в сетку длин волн стандарта МСЭ-Т, то для согласования работы этих устройств также используют волновые конверторы.

     На промежуточных узлах может быть установлены мультиплексоры ввода/вывода или устройства кросс-коммутации, позволяющие добавлять или выделять некоторые каналы из составного сигнала. Кроме того, одной из особенностей систем WDM заключается в возможности таких систем использовать двухкаскадные усиления. Известно, что без использования оптических усилителей установка системы WDM на сетях связи была бы экономически нецелесообразной.

     В оконечном пункте на входы оптического мультиплексора Rmi могут быть направлены оптические сигналы, отвечающие требованиям технологии WDM Рек.

G.692, в частности, цифровые потоки СТМ-64 и СТМ-256 СЦИ (SDH), соответствующие G.957. Оптические сигналы аппаратуры СЦИ, а также аппаратуры передачи данных, как правило, не отвечают требованиям Рек. G.692. Поэтому транспондерах, установленных на передаче, осуществляется преобразование длины волны входных оптических сигналов в длины волн системы WDM. Сначала входной оптический переводят в электрическую форму, затем регенерируют и далее снова преобразуют в оптическую форму с излучением на требуемой по длине волны с заданными характеристиками. В приемных транспондерах производятся обратные преобразования.

     Важным свойством оптических каналов системы WDM является их прозрачность для сигналов различных служб связи, то есть независимость от структуры и даже скорости цифровых потоков. Для этого регенераторы транспондеров иногда выполняются без восстановления временных позиций (2R), тактовая синхронизация в этом случае не требуется.


Оптические диапазоны технологии WDM



     В системах передачи с технологией WDM в соответствии с существующими рекомендациями МСЭ-Т рекомендуется использовать оптические диапазоны,
приведенные в таблице 1.1:

Таблица 1.1

Обозначение
Наименование
Спектр, нм
диапазона





O – диапазон
Основной (О - Original)
1260 … 1360



Е – диапазон
Расширенный (Е - Extended)
1360 … 1460



S – диапазон
Коротковолновый (S - Short
1460 … 1530

wavelength)




С – диапазон
Стандартный (C - Conventional)
1530 … 1565



L – диапазон
Длинноволновый (L - Long
1565 … 1625

wavelength)




U – диапазон
Сверхдлинноволновый (U -
1625 … 1675

Ultra-long wavelength)






     В общем ширина спектра, охватывающего все шесть диапазонов, приведенных в таблице 1.1, составляет 415нм. Что дает в пересчете на частоту полосу порядка 60ТГц и, из этого следует, что потенциальная пропускная способность может составить 60Тбит/с.

Классификация WDM систем




     В соответствии с существующими на настоящий момент рекомендациями МСЭ-Т современные WDM системы на основе стандартного частотного плана

(ITU-T Rec, G.692) можно подразделить на 2 классы:

1) грубые WDM (CWDM Coarse Wavelength-Division Multiplexing, G.694.2)

— системы с частотным интервалом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 18 оптических каналов. Используемые в настоящее время CWDM охватывают область от 1260 до 1625 нм, в которой располагается 18
каналов с промежутком между каналами 20нм 20.

2) Плотные WDM (DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing, G.694.1). Это наиболее распространены системы WDM. Расстояние между несущими может составлять 25…200 Ггц, в современных сетях наиболее часто используется

сетка каналов с шагом 50 Ггц. [1]

В свою очередь плотные DWDM-системы можно разделить на:

– обычные DWDM- системы с частотным разносом каналов не менее 100 ГГЦ

(примерно 0,8 нм в третьем окне прозрачности) и позволяющие мультиплексировать не более 40 каналов.


     – высокоплотные HDWDM (High Dense WDM) - системы, имеющие частотный интервал, равный 50 ГГц, (0,4 нм), 25 ГГц (0,2 нм) и 12,5 ГГЦ (0,1 нм)

и обеспечивающие возможность мультиплексирования до 500 оптических каналов.

I.3 Компоненты WDM системы

     Компоненты WDM систем, в зависимости от того, используются или нет дополнительные источники энергии, они могут быть разделены на пассивные и на активные компоненты.

     Пассивными называют компоненты, в которых источники отсутствуют, и имеющие фиксированные параметры. К ним относятся такие как мультиплексоры, оптические ответвители, изоляторы, оптические волокна, циркуляторы и.т.д.

     Активными называют компоненты, в которых требуется наличие дополнительного источника энергии для обеспечения их работоспособности, и осуществляющие генерацию, усиление и детектирование фотонов, например, передатчики, оптические усилители, приемники.

      Существуют также пассивные компоненты с переменными параметрами (оптические коммутаторы, переменные аттенюаторы, реконфигурируемые мультиплексоры, …), называемые динамическими пассивными компонентами. На рисунке 1.3 представлены основные компоненты системы DWDM.





























Рис.1.3 – компоненты DWDM систем

1.3.1 Источники оптического излучения

     Источники света или источники оптического излучения представляют собой устройства передающей стороны, которые преобразуют электрические сигналы в световые импульсы. Процесс преобразования или модуляции, может быть достигнуто путем внешней модуляции непрерывного излучения света или с помощью устройства, которое может генерировать модулированный свет непосредственно (внутренняя модуляция).

     В оптических системах передачи широко используются два основных типа светоизлучающих устройств: светоизлучающие диоды (LED: Light-Emitting

Diodes) и лазерные диоды (LD: Laser Diodes) или полупроводниковые лазеры (Semiconductor Lasers). Они характеризуются, входной мощностью выходного излучения, малыми размерами, минимальным весом, низким энергопотреблением и высоким эффективностью.

     Светоизлучающие диоды имеют относительно широкий спектр с низкими модуляционными характеристиками и излучают свет в сравнительно широком конусе; но обладает более линейной выходной характеристики, низкой стоимостью. Они пригодные для применения в системах связи малой дальности и малой ёмкости.

     Полупроводниковые лазеры являются источникам излучения, использующие вынужденное. Данные лазеры, благодаря своим практическим достоинством, применяются как правила в высокоскоростных системах связи большой дальности.

1.3.2 Детекторы светового излучения

     Базовым элементом оптического приемника в оптических системах передачи является фотодетектор. Световые детекторы выполняют обратную функцию излучателей света. Они преобразуют световые импульсы в электрические сигналы

соответствующей формы. Такое преобразование основано на физических процессах, происходящих в p-n переходе.

     Два типа фотодетекторов широко используются в технике волоконно-оптической системы передачи: p-i-n (positive-intrinsic-negative) фотодиод в и лавинный фотодиод (APD: avalanche photodiode).

     PIN фотодиоды работают на принципах, аналогичных, но в обратном, светодиодов. Основным отличием данного типа диодов от обычных с p-n переходами являются наличием между сильнолегированными p+ и n+ слоями полупроводника так называемого i-слоя, который представляет собой слаболегированный полупроводник n- типа [12]. Ввиду отсутствия в i-слое свободных носителей его иногда называют обедненным слоем.

     В PIN-фотодиоде, большая часть электрического тока проводится с помощью носителей заряда, генерированных в области обеднения. Носители заряда, генерируемые в р-области или n-области, проводят только небольшой электрический ток. Таким образом, увеличение ширины обедненной области увеличивает электрический ток неосновных носителей.


























Рис.1.4 – Структурная схема PIN-фотодиода

     Лавинные фотодиоды работают на основе процесса лавинного пробоя. Такое процесс заключается в том, что, когда носители зарядов, ускоренные в электрическом поле, достигают высоких скоростей, что благодаря ударной ионизации рождаются новые носители зарядов, возникает особо сильный фототок. Лавинные фотодиоды отличаются от PIN-фотодиодов наличием дополнительного n+-р –перехода. Такое дополнительное поле позволяет создать сильное электрическое поле, необходимое для создания условий ударной ионизации в структуре фотодиода.

      Таким образом образуется p+-i-p-n+ структура с профилем распределения легирующих примесей, при котором наибольшая часть напряженности электрического поля находится в р-слое, что обеспечивает наименьшую проводимость этого слоя. PIN-фотодиоды имеют много преимуществ, в том числе низкой стоимости и надежности, но ЛФД имеют более высокую чувствительность и точность приемника.

1.3.3 Мультиплексоры и демультиплексоры

     Поскольку системы DWDM посылают сигналы от нескольких источников по одному волокну, они должны включать в своем составе какие-то средства для объединения входящих сигналов. Это делается с помощью мультиплексора, который принимает оптические сигналы разных дли волн из нескольких оптических передатчиков и объединяет их в одном волокне. На приемном конце системы должны быть в состоянии отделить компоненты света таким образом, что они могут быть обнаружены скрытно.

     Deмультиплексоры выполняют обратную функцию мультиплексоров. Они разделяют принятый луч на его составляющие длины волны и направляют их на отдельные волокна. Демультиплексирование должно быть сделано до того, как свет детектируется, потому что фотодетекторы по своей сути являются широкополосные устройства, которые не могут селективно обнаруживать одной длины волны.

























Рис.1.5 – схема Мультиплексора и демультиплексора

     Мультиплексоры и демультиплексоры могут быть либо пассивным или активным в их конструкции. Пассивные конструкции основаны на призмы, дифракционных решеток или тонкопленочных фильтров, в то время как активные конструкции сочетают пассивные устройства с настраиваемыми фильтрами. Одним из основных требований этих устройств являются свести к минимуму перекрестные помехи и максимизировать разделение каналов.

1.3.4 Оптические мультиплексоры ввода / вывода

     Между точками мультиплексирования и демультиплексирования в системе DWDM, как показано на рисунке 2, есть область, в которой существует несколько длин волн. Часто требуется необходимость иметь возможность выделить из составного сигнала или вставить в него одну или более длинах волн. Оптический мультиплексор ввода / вывода каналов OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) выполняет эту функцию. Оптические мультиплексоры ввода / вывода s являются ключевым шагом перехода к цели создания полностью оптических сетей. Они дают несущим возможность реконфигурировать сетевой трафик для оптимизации транспортировки данных.































Рис.1.6 - Оптический мультиплексор ввода / вывода каналов

     OADM похожи во многих на SONET ADM, за исключением того, что оптические длины волны добавляются или выделяются, не преобразуя сигнал из оптической в электрическую форму. Существуют два основных типа Оптических мультиплексоров ввода / вывода. Первое поколение является фиксированным устройством, физически настроено чтобы выделять конкретные предварительно заданные длины волн при добавлении других. Второе поколение является перенастраиваемым.

1.3.5 Эрбиевый волоконный усилитель

     Усилители на волокне, легированном эрбием, играли революционную роль в телекоммуникационной отрасли. В то же время, они были движущей силой в развитии других сетевых элементов и технологий.

     Эрбия является редкоземельным элементом, который, при его возбуждении, излучает свет вокруг 1,54 мкм, длина волны с малыми потерями для оптических волокон, используемых в технологии DWDM. слабый сигнал поступает в волокно, легированное эрбием, в котором свет при длине волны 980 нм или 1480 нм вводится с помощью лазера накачки. Индуцированное излучение стимулирует атомы эрбия, чтобы выпустить их накопленную энергию в качестве дополнительного 1550 нм света. Поскольку этот процесс продолжается по волокну, сигнал становится более усиленным.



















Рис.1.7 – усилитель EDFA




     Усилители EDFA обладает ряд достоинствами. Они обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их оптоэлектронного преобразования, обладают низким уровнем шумов, усилители EDFA полностью "прозрачны" так ка не зависят от применяемых протоколов, форматов, скорости передачи длины волны оптического сигнала. Благодаря появлению усилителей с

таким сочетанием качеств оптические линии связи и сети на основе систем плотного уплотнения (DWDM) стали экономически привлекательными.

     Одним из недостатков эрбиевых волоконных усилителей является наличие на их выходах усиленного спонтанного излучения, которое, однако, резко снижется при подаче сигнала на вход усилителя.

     Основные показатели работы оптических усилителей: коэффициент усиления, неравномерность коэффициент усиления, уровень шума и выходной мощности. Коэффициент усиления должна быть плоским, поскольку все сигналы должны быть усилены равномерно. В системе DWDM для того, чтобы спектр усиления EDFA плоским, приходится использовать оптические фильтры для выравнивания спектра (GFF) [1].

I.4 Среда передачи WDM


     Прогресс в области телекоммуникационных и информационных технологий проходит нарастающими темпами; уже сегодня формируется информационный мир. Наилучшие условия транспортирования больших объемов информации создаются линиями передачи на оптических волокнах в составе оптических кабелей совместно с аппаратурой оптических телекоммуникационных систем [13].

Преимущества использования оптоволокна:

Широкая полоса пропускания:

     Оптоволоконные кабели обладают огромной полосой пропускания со скоростями передачи до 100 Гбит/с и свыше. Важно отметить что реализация систем со скоростями передачи 10 Гбит/с сопряжена с определенными ограничивающими факторами, такие как большое по сравнению с периодами импульсов время ответа источников и детекторов для высоких скоростей передачи данных, близость длины волны света к периоду импульса, вызывающая проблема дифференцирования в детекторах. Эти трудности возрастают с дальнейшим увеличением скорости передачи. Для преодоления этими трудностями возникла идея передачи нескольких длин волн в одном волокне. Так возникла технология спектрального уплотнения оптического волокна (WDM- wave Division Multiplexing).

     В настоящее время во всем мире происходит последовательный переход к оптической транспортной сети ОТС, которая должна стать базовой для реализаций глобальной информационной инфраструктуры (ГИИ). За счет полностью оптической обработкой сигнала можно осуществить реализацию систем с пропускной способностью до 1 Тбит/с [6].

Малое   затухание:   Оптическое   волокно,   выпускаемое   производителями   в настоящее время, имеет затухание 0,2–0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на

1 км. Благодаря малому затуханию и небольшой дисперсии возможно построение

100 километровых и более протяженных участков линий без ретрансляции.

Высокая помехозащищенность: Так как оптоволокно изготавливается из диэлектрического материала, на него не действуют электромагнитные помехи, радиочастотные помехи, молнии. В многоволоконных кабелях отсутствует проблема перекрестного воздействия электромагнитного излучения, характерная для многопарных медных кабелей.

Низкая стоимость: Оптическое волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного материала, в отличие от меди;

Малые массагабариты: Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Из-за своих небольших по сравнению с традиционными кабелями с такой же пропускной способностью размеров их обычно проще устанавливать в существующих условиях, а время установки и стоимость в общем ниже.

Полная гальваническая развязка: это преимущество оптоволокна, которое базируется на его изолирующих свойствах. Волокно исключает возникновение «земельных» петель, появляющихся в случае наличия заземления в различных точках объекта (к примеру, на разных этажах заземлены сетевые устройства вычислительной сети, выполненной медным кабелем). Возникающая при этом разность потенциалов способна вывести из строя сетевое оборудование. В случае с оптическим волокном эта проблема отсутствует.

Высокая   скрытность  связи   (утечка   информации):  ответвление   сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну;

Большой срок службы: волокно с течением времени испытывает деградацию, то есть  в  проложенном  кабеле  постепенно  возрастает  затухание.  Благодаря усовершенствованным современным технологиям изготовления оптоволокна

названный процесс значительно замедлен, в связи с чем срок службы волоконно-оптических кабелей составляет около 25 лет.

Однако волоконно-оптические кабели обладают некоторыми недостатками.

     Самый главный из них является высокой сложностью монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.

     Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.

     При передаче больших объемов информации по ОВ осуществляется принцип спектрального разделения (wave division multiplexing, WDM, уплотнение с разделением по длинам волн): агрегатный поток информации содержит ряд компонентных потоков, транспортируемых в спектрально разделенных оптических каналах.

I.4.1 Геометрические параметры оптических волокон

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки [5]. Оптическое волокно широко используется в телекоммуникационных сетях для передачи оптического излучения от источника к приемнику и является основным элементом оптического кабеля [12]. Оптические Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон 50 или 62.5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон может меняться в пределах 7-9 мкм (рис. 1.7). Нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр модового пятна, величина которого зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8-10 мкм. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125 ±1 мкм. Поэтому при внешнем осмотре практически невозможно отличить одномодовое волокно от многомодового.















Рис.1.8 – Геометрические параметры одномодовых и многомодовых волокон.


I.4.2 Распространение световых лучей в оптических волокнах

     Как отмечено выше, оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой происходит распространение световых волн, и оболочки, предназначенной, с одной стороны, для лучших условий отражения на границе раздела «сердцевина-оболочка», а с другой стороны для излучения энергии в окружающее пространство. Для повышения прочности и надежности волокна накладывается защитное упрочняющее покрытие поверх оболочки. Сердцевина и оболочка имеют разные показатели преломления соответственно n1 и n2. Показатель преломления n прозрачного вещества представляет собой отношение скорости света в вакууме c к скорости света в данном веществе v, т.e. = . Кроме того, показатель преломления зависит от параметров среды и рассчитывается по формуле n  ,


где ? и ? — относительные соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости. Среда, у которой показатель преломления больше, называется оптически более плотной, в противном случае – менее плотной.

Показатель преломления оболочки постоянен, а сердцевина в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

     При попадании на границу раздела двух сред с разными значениями показателей преломления световой луч изменяет своё направление и в общем случае появляется преломленный и отражённый лучи. Поэтому для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред. Для осуществления реализации эффекта полного внутреннего отражения, необходимо что показатель преломления в сердцевине был больше показатель преломления оболочки n1 > n2.























Рис.1.9 – Законы преломления и отражения



В соответствии с законом Снеллиуса:




sin(   )

n



1



2








sin(
2
)

n






1






, угол




2




в среде с меньшим


показателем преломления больше, чем угол падения 1 . При возрастании 1 возрастает 2 , и поскольку 2 1 , то 2 станет равным 900 раньше, чем 1 . Угол падения, для которого преломленный луч скользит по поверхности раздела двух сред ( 2 = 900), называется углом полного внутреннего отражения ( П ). Этот угол в предположении, что 2 = 900, рассчитывается по формуле

Пarcsin n2 n1


     Если угол падения больше угла полного внутреннего отражения ( 1 > П ), то луч 3 полностью отражается вовнутрь первой среды. Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.

На рисунке 1.9 изображено распространение лучей в оптическом волокне.


Стекло оболочки n2


n



n1



?



Ось волокна



3
Стекло оболочки n2
2

1

1.10 – распространение лучей в оптическом волокне

     Луч 3 входящий в сердцевину под углом ? полностью отражается в сердцевине и может распространяться в ОВ. Угол ? принято назвать апертурным углом или апертурой. Все лучи (1 и 2), пересекающие ось волокна под углом больше апертуры не удовлетворяют условие полного внутреннего отражения, и часть переносимой им энергии уходит в оболочку. Условие полного внутреннего
отражения  выполняется,  когда  угол  падения  (

П
)  меньше  критического  угла,













который определяется соотношением:











sin?n12     n 22
,






Величину ? называют апертурным углом, а sin?- числовая апертура

     Апертура очень важна так, как характеризирует условия ввода и распространения оптического излучения в ОВ. Максимальный угол ввода ?макс принято называть входной угловой апертурой световода, а его синус числовой апертурой NA световода.

NA	sin?макс     n12	n 22  ,

.......................