Основы волоконной оптики

В 50-х годах 20-го столетия возникло новое направление в науке – волоконная оптика, наука о распространении оптического излучения по волоконным световодам. Свет распространялся по специальному оптическому жгуту, изготовленному из стеклянных волокон. В то время пропускание световода в видимой области спектра составляло 30-70 % на длине 1 м. В стекле имеется много примесей, снижающих его прозрачность. В 70-х годах 20-го столетия произошло второе рождение волоконной оптики, когда появились волоконные световоды на основе кварцевого стекла с оптическими потерями 1 дБ/км в ближней ИК области спектра. Пропускание составляло ~ 50% при длине волновода в несколько километров.

В волоконных световодах потери световой волны, затухание сигнала, выражается в белах (Б) и децибелах (дБ) на единицу длины (названа в честь А. Белла):

дБ = к lg p₂/p₁,

Бел – единица логарифмического уровня энергетической величины р₂ (мощность, интенсивность звука или электромагнитной энергии) относительно начального уровня р₁ одноименной величины. Если к = 1, то измерения ведутся в Б, если же к = 10, то - в дБ. Потери в оптическом волокне мало зависят от частоты, затухание незначительное даже на частотах вплоть до 10ГГц. На рис. 33 представлено ослабление сигнала в зависимости от частоты модуляции для оптоволокна и двухпроводного медного кабеля.

Рис. 33. Сравнение ослабления сигналов в световоде диаметром 0.12мм (1) и коаксиальном электрическом кабеле диаметром 5мм (2).

Ток через металлический кабель течет согласно закону Ома, для переменного тока наблюдается скин-эффект (ток идет по поверхности проводника), с ростом частоты модуляции ослабление сигнала происходит почти по экспоненте.

Что же собой представляет волоконный световод? Это длинная гибкая нить, сердцевина которой состоит из высокопрозрачного диэлектрика с показателем преломления n₁. Сердцевина окружена оболочкой с показателем преломления n₂ < n₁. Характер распространения оптического излучения по волоконному световоду зависит от его поперечных размеров и профиля показателя преломления по сечению. Так, например, число типов колебаний (мод), которые могут распространяться по световоду для заданной длины волны излучения, пропорционально квадрату диаметра сердцевины 2а (рис. 34) и разности показателей преломления сердцевины и оболочки Dn = n₁ – n₂.

Рис. 34. Поперечное сечение и профиль показателя преломления

по сечению для световодов: а-многомодовых ступенчатых,

б-одномодовых, в-многомодовых градиентных.

Уменьшая произведение этих величин, можно добиться распространения по световоду лишь одной моды. В этом случае волоконный световод называется одномодовым. Имеется много типов структур световодов, однако наибольшее распространение получили три типа: многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления, многомодовые с градиентным профилем показателя преломления и одномодовые. В одномодовых световодах обычно 2а» 5 – 10 мкм (для ближнего ИК-диапазона), в многомодовых – от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Разность Dn для многомодовых световодов составляет ~ 1-2%, для одномодовых – несколько десятых долей процента. Полный диаметр световодов составляет ~ 10² – 10³ мкм.

Распространение света по волоконному световоду обусловлено полным внутренним отражением света на границе сердцевина-оболочка. Когда были учтены волновые свойства света, было обнаружено, что из континуума световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения от границы направляющей структуры только ограниченное число лучей с дискретными углами могут образовывать направляемые волны структуры. Кроме полного внутреннего отражения эти лучи должны удовлетворять ещё условию, которое заключается в том, что после двух последовательных переотражений от стенок соответствующие лучам волны должны быть в фазе и таким образом интерферировать при наложении друг на друга. Только когда волны удовлетворяют такому фазовому условию, они будут подчиняться структуре и формировать самосогласованное распределение поля направленных волн (мод). Если это условие не выполняется, волны интерферируют так, что гасят сами себя и исчезают. Квантование волн в дискретный ряд направляемых мод было обнаружено только тогда, когда были решены уравнения Максвелла для некоторых частных видов направляющих структур. Лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом < Q, где

Sin Q = 1/n₁^. (n₁² – n₂²)^1/2,

испытывают полное внутреннее отражение, приводя к зигзагообразному распространению света вдоль световода (рис. 35).

Рис. 35. Траектория лучей в многомодовом световоде со ступенчатым

профилем показателя преломления.

При этом угол падения луча на торец световода составляет n₁Q. Меридиальные лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом >Q (прерывистая линия на рис. 35), частично отражаясь на границе раздела, преломляются в оболочку. Синус угла Q называют числовой апертурой волоконного световода. Для устранения волн, бегущих по оболочке, световод снабжают второй поглощающей оболочкой. Она вызывает быстрое затухание паразитных волн. Полную картину распространения света по волоконному волноводу даёт волновая теория, допускающая распространение по нему лишь дискретного набора мод. Каждая мода представляет собой колебание, которое характеризуется определённой пространственной структурой электрического и магнитного полей и соответствующей постоянной распространения, т. е. фазовой скоростью.

Распространение света по световоду сопровождается такими оптическими явлениями, как затухание оптического сигнала, уширение коротких импульсов света, различные нелинейные процессы. Затухание оптического сигнала в волоконном световоде, где кварцевые стёкла имеют максимальную прозрачность, определяется как фундаментальными механизмами поглощения и рассеяния света в стёклах, так и поглощением примесями и дефектами структуры.

К фундаментальным механизмам оптических потерь в кварцевых стёклах относятся: поглощение, обусловленное электронными переходами; ИК-поглощение, обусловленное колебаниями решётки, которое начинает играть существенную роль лишь на l > 1.8 мкм; релеевское рассеяние света на неоднородностях состава и плотности стекла, меньших l. Таким образом, наибольшей прозрачностью волоконный световод на основе кварцевого стекла обладает в области 0.8 – 1.8 мкм. На рис. 36 представлены спектральные зависимости оптических потерь, обусловленных фундаментальными механизмами, для кварцевого стекла, легированного германием, а также представлен спектр потерь одномодового световода.

Рис. 36. а-Спектральные зависимости оптических потерь в кварцевом

стекле: 1-поглощение, обусловленное электронными переходами,

2-релеевское рассеяние, 3-поглощение, обусловленное колебаниями решётки,

4-суммарные потери.

б-Спектр оптических потерь одномодового световода.

Уширение оптических импульсов при распространении по волоконному световоду приводит к их взаимному перекрытию, что ограничивает информационную полосу пропускания световода. Наибольший вклад в уширение импульсов в многомодовых системах вносит межмодовая дисперсия – различная групповая скорость распространения различных мод. Различие групповых скоростей мод можно значительно снизить, обеспечив плавное изменение показателя преломления по закону близкому к параболическому, с максимумом на оси световода.

Волоконные световоды в области l ~ 1.3.мкм позволяют передавать сигналы с полосой пропускания ~ 100 ГГц при потерях < 1 дБ/км. Волоконная связь отличается также невосприимчивостью к электромагнитным помехам, малым объёмом и весом линий передач; помогает сэкономить дефицитные цветные металлы. Немалую роль играет полное отсутствие излучения из световода во внешнюю среду, что исключает возможность перехвата информации. Волоконные системы применяются в телефонных сетях, кабельном телевидении, бортовой связи, вычислительной технике, системах контроля и управления технологическими процессами.

Волоконно-оптическая линия связи состоит из трёх основных модулей:

- передающего – модулятор, источник излучения (светодиод, лазер);

- приёмного – p-i-n-диод и система обработки сигнала;

- транслирующего – элементы ввода излучения, само волокно, элемент связи с фотоприёмником.

Для передачи света на большие расстояния используются оптические кабели. При их изготовлении отдельные волокна покрываются тонкими полимерными плёнками, затем собираются в жгут, который покрывается оболочкой. Снаружи на кабель наносится оплётка, защищающая его от механических повреждений. Для ввода излучения в световод используются линзы. Вместо обычных линз применяются так называемые градиентные линзы (граданы), в которых фокусное расстояние уменьшается не за счёт геометрии, а за счёт использования материалов с плавно изменяющимся показателем преломления. Градиентные стержневые линзы используются для создания мультиплексоров и демультиплексоров.

Наиболее впечатляющим достижением явился ввод в 1988 г. трансатлантической волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) между США и Европой длиной 7 000 км. Эта линия обеспечивает возможность вести одновременно 40 000 телефонных разговоров. Ведутся работы по сооружению тихоокеанской ВОЛС от Японии до Гавайских островов длиной 12 000 км. Через нашу страну прокладывается ВОЛС от границы с Эстонией до Тихого океана и далее в Японию. Она замкнёт кольцо ВОЛС вокруг Земного шара. При передаче информации на большие расстояния в волноводной линии устанавливаются ретрансляторы, состоящие из пары фотоприёмник с усилителем – лазер. Есть сообщение, что в Японии имеется ВОЛС длиной 300 км без ретранслятора, но при гетеродинном приёме излучения.

Из других применений световодов в первую очередь необходимо упомянуть о волоконно-оптических гироскопах - оптического измерителя угловых скоростей (эффект Саньяка). Широкая область применения световодов – датчики физических величин, основанные на изменении свойств световода при воздействии температуры, давления, магнитного поля. Волоконно-оптические изделия широко применяются для переноса изображения. Для этого множество световодов собираются в гибкий жгут, концы которого спекаются в монолит и подвергаются оптической обработке. Такие жгуты используются в эндоскопах для медицины.

Оптический световод в полупроводниковой структуре позволил многократно повысить мощность полупроводниковых лазеров. Ж. И. Алфёровым в начале 70-х была предложена и реализована такая идея. Для этого активный слой арсенида галлия в объёме кристалла помещается между двумя слоями с меньшим показателем преломления. Такая структура получила название двойной гетероструктуры (рис. 37).

Рис. 37. Лазерный диод с двойной гетероструктурой.

В настоящее время предпринимаются усилия по созданию волоконных световодов для более далёкой ИК-области спектра. Изучаются волокна на основе халькогенидных стекол.

Дата добавления: 2014-01-05