Оптика

  • 17 янв. 2013 г.
  • 2874 Слова
Задание
1. Дисперсия волн в световоде.
2. Источники оптического излучения для ВОЛС. Зонная структура полупроводниковых, лазерных материалов. Полупроводниковые лазеры и полупроводниковые световоды.

Дисперсия волн в световоде.
В световодах при передачи импульсных сигналов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседниеимпульсы перекрывают друг друга.
Данное явление в теории световодов носит название дисперсии. В курсе физики дисперсией называется распространение синусоидальных волн разных частот с различными фазовыми скоростями.
Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивают длину участка регенерации. Дисперсия такжеограничивает ширину полосы пропускания световода.
Рассмотрим явление дисперсии более подробно. Распространение импульса электромагнитной энергии по световоду может быть представлен в виде ряда лучей, как показано на рис.1.

Аксиальный луч (1) распространяется вдоль оптической оси и проходит расстояние . Время пробега при этом составит

где - фазовая скорость электромагнитной волны.
Времяпробега того же расстояния наклонным лучом с максимально возможным значением угла
.
Так как максимальное значение определяется углом полного внутреннего отражения с, то

Когда эти два луча, переносящие электромагнитную энергию, складываются вместе, наклонный луч по сравнению с аксиальным лучом имеет временное запаздывание

Это приводит к тому, что форма выходного импульса по сравнению совходным импульсом искажается, импульс расширяется во времени (рис.1).
Такое явление называется межмодовой (модовой) дисперсией () и проявляется в многомодовых световодах. Однако данный вид дисперсии не единственный в волоконных световодах.
Дисперсия определяется тремя главными составляющими:
межмодовой;
волноводной;
материальной.
Волноводная () характеризуется зависимостью групповой скорости модыот длины волны, а материальная () - зависимостью коэффициента преломления материала световода от длины волны.
Результирующая дисперсия может быть рассчитана по формуле:
.
Различные виды дисперсии проявляются по-разному в различных типах волоконных световодов. В ступенчатых многомодовых оптических волокнах доминирует межмодовая дисперсия, которая рассчитывается по формуле:
,
где .
В реальныхступенчатых волоконных световодах расширение импульса составляет =20 нс/км. В градиентных волоконных световодах модовая дисперсия практически отсутствует. Это объясняется параболическим профилем показателя преломления сердечника стекловолокна (рис.2).

Рис. 2
Аксиальный луч (1) проходит меньший путь, но в среде с большим показателем преломления.
Периферийный луч (2) проходит больший путь, но в средес меньшим показателем преломления.
В результате время пробега лучей выравнивается и расширение импульса за счет модовой дисперсии практически отсутствует, т.к. составляет =50 пс/км, что в 400 раз меньше, чем в аналогичных по размерам ступенчатых многомодовых световодах.
Тем не менее расчет межмодовой дисперсии d в градиентных световодах производится по формуле:
.
В одномодовых световодахмодовая дисперсия отсутствует и расширение импульса определяется внутримодовой дисперсией, т.е. уширение импульса в пределах каждой моды, которая вызвана материальной и волноводной дисперсиями,.
Для определения внутримодовой дисперсии необходимо воспользоваться понятиями фазовой и групповой скоростями распространения электромагнитных волн.
В соответствии с основными положениями электродинамики в однородныхсредах плоская электромагнитная волна распространяется с фазовой скоростью
и групповой скоростью .
Для недисперсионной среды фазовая скорость не зависит от частоты, и тогда групповая скорость равна фазовой скорости.
Подставим в выражение для групповой скорости , продифференцируем и получим .
Однако, в дисперсионных средах, где фазовая скорость электромагнитной...
tracking img