15.2. Устройства ввода и вывода энергии оптического излучения

Оптический тракт ВОЛС содержит специальные устройства (оптические соединители) для соединения разных элементов друг с другом. Основные тре­бования к ним: малые оптические поте­ри, надежность, простота сборки, низкая стоимость.

Соединители волоконных световодов чаще всего строятся или на непосредственном торцевом соединении световодов, или с применением коллимирующих и фокусирующих элементов. Неза­висимо от оптической схемы соединители делятся на два класса: неразъемные и разъемные. Неразъемные соединители обеспе­чивают минимально возможные оптические потери, в свою оче­редь, разъемные соединители позволяют осуществлять много­разовое соединение различных устройств. При непосредственном соединении волоконных световодов их специально обработанные торцы соединяются друг с другом. В неразъемных соединителях (рис.15.4) удаляется часть оболочки, а сердечники сращиваются друг с другом с помощью сплавления, сварки или склеивания. Кор­пус соединителя 1, в который иногда помещают отрезки ме­таллических или керамических стержней 2, обеспечивает необхо­димую прочность соединения. Для качественного соединения во­локон в разъемных соединителях их торцевые поверхности поли­руют и шлифуют, стараясь сделать их плоскими и параллельными друг другу (перпендикулярными оси волокон). После этого сое­диняемые концы закрепляются в армирующих наконечниках, кото­рые обеспечивают требуемое совмещение световодов, прочное и надежное закрепление в соединителе [41].

При торцевом соединении одинаковых световодов оптические потери, в соединителе зависят от взаимного расположения све­товодов (рис.15.5) и от отражений от торцов световодов. Оценить зависимость оптических потерь от величины радиального смеще­ния ∆r/а, от углового рассогласования Θ и от величины зазора ∆z/a (рис.15.5) можно по формулам и графикам, приведенным в [41, 63]. Это позволяет выбрать необходимую точность совмещения воло­кон. Например, для обеспечения оптических потерь менее 0,5 дБ

радиальное смещение должно быть ∆r/ ≤ 0,2, что для многомодо-вых волокон с 2а≈50 мкм требует точность совмещения не хуже 5 мкм, а для одномодовых с 2а≈7 мкм-не хуже 0,7 мкм; угловое рассогласование на Θ= 1° приводит в многомодовых световодах к потерям порядка 0,3 дБ, а в одномодовых-0,8 дБ; оптические по­тери менее 0,5 дБ обеспечиваются в мнгогомодовых световодах при зазоре ∆r/a < 0,7, а в одномодовых при ∆r/a< 7. Соединители на основе торцевого соединения требуют при изготовлении весьма жестких допусков на положение соединяемых волокон. В настоя­щее время технология изготовления неразъемных соединителей хорошо отработана и обеспечивает потери порядка 0,1...0,ЗдБ. Однако жесткие допуски затрудняют создание качественных разъ­емных соединителей. Как правило, для обеспечения малых опти­ческих потерь в разъемных соединителях используются микролин­зы. Основным достоинством соединителей такого типа является слабая зависимость оптических потерь от взаимного расположе­ния микролинз, жестко связанных с волоконными световодами. На рис. 15.6 показаны некоторые схемы оптических соединителей с микролинзами. В этом случае излучение, выходящее из волокон­ного световода 1 с помощью линзы 2 преобразуется в широкий параллельный световой пучок (коллимируется), который с помо­щью второй фокусирующей линзы 3 вводится в выходной све­товод. Наиболее широкое применение нашли сферические (рис.15.5, а) и градиентные (рис.15.6, б) стержневые линзы. В схе­мах с линзами для получения малых оптических потерь требуется весьма высокая точность совмещения торцов световодов с фоку­сами линз. Например, в случае соединения многомодовых свето­водов для обеспечения оптических потерь менее 0,5 дБ требуется точность совмещения ±5 мкм [41]. Кроме того, в схемах со сферическими линзами нельзя крепить волокно на поверхно­сти линзы, поскольку фокус линзы находится на некотором расстоянии от нее. Градиентная стержневая линза представ­ляет собой отрезок цилиндрического стержня, выполненного из стекла, показатель преломления которого уменьшается от оси стержня к его боковой поверхности, как в градиентном световоде (см. 10.7). Распростране­ние световых пучков в таком стержне аналогично распрост­ранению в градиентном свето­воде. При определенной длине отрезок стержня ведет себя как линза, причем фокус такой лин­зы находится на торцевой по­верхности стержня. Это позво­ляет крепить волоконный световод непосредственно к торцу стержня.

Применяемые в нас­тоящее время оптические со­единители с микролинзами име­ют величину оптических потерь 0,5...2дБ[41].

Важной характеристикой световода является так назы­ваемая числовая апертура NA. Ее необходимо учитывать при стыковке и возбуждении воло­кон. Числовая апертура волокна равна NA=sin(φ_max), φ_max -наибольший угол падения лучей на то­рец световода (рис.15.7), при котором преломленный (вошедший в сердечник) луч испытывает полное отражение от границы раздела сердечник-оболочка. Лучи, падающие на торец под углами φ< φ_max, образуют лучи, распространяющиеся внутри сердечника (лучи 1 и 2 на рис.15.7). Если луч падает на торец под углом φ< φ_max, то преломленный луч попадает на оболочку под углом па­дения меньше критического (луч 3 на рис.15.7), что приводит к вы­теканию энергии из сердечника в оболочку. Используя законы Снеллиуса, нетрудно показать, что

При соединении разных волокон на оптические потери в сое­динителе кроме рассмотренных выше факторов, оказывают влия­ние отличия волокон в числовой апертуре, диаметре сердечников и в количестве распространяющихся волн [41, 42]. Например, если по входному световоду мощность P1переносится М₁ волнами, то при идеальном соединении его с выходным световодом, по кото­рому распространяется М₂ волн, в выходной световод можно пе­редать мощность Поэтому для обеспечения минимальных оптических потерь при соединении многомодовых световодов необходимо, чтобы полное число мод входного световода не превосходило полного числа мод выходного световода, т.е. M₂>M_1. При реализации однонап­равленных соединений это условие является и достаточным. Если же предполагается через соединение передавать мощность как в прямом, так и в обратном направлении, данное условие следует заменить строгим равенством.

Соединители источников излучения с волоконными све­товодами. Для ввода излученной источником мощности Р_и в воло­конный световод используют специальные устройства. Одним из главных параметров таких устройств является эффективность ввода ζ=Р_B/Ри, где Р_B - оптическая мощность, введенная в све­товод. Величина ζ, зависит от величины излучающей площадки источника, его диаграммы направленно­сти, спектрального состава излучения, диаметра сердечника и числовой аперту­ры световода, количества мод, возбуж­даемых источником, и количества мод, направляемых световодом, взаимного расположения источника и световода, па­раметров используемых микролинз и ря­да других факторов. В качестве источни­ков оптического излучения наиболее широ-

кое применение в ВОЛС находят светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры. Сравнительные характеристики СИД и лазеров приведены в [42]. По основным параметрам, в первую очередь по спектру излучаемых частот и диаграмме направленно­сти излучения, СИД значительно уступают лазерам. Однако благо­даря низкой стоимости, простоте изготовления и высокой надеж­ности они находят применение в ВОЛС небольшой протяженности, с низкой скоростью передачи информации, где можно использо­вать многомодовые световоды с достаточно большим диаметром сердечника 2а и большой числовой апертурой NА

Обычно для увеличения излучаемой мощности СИД выпол­няют со сравнительно большой излучающей площадкой, диаметр которой 2а_и, как правило, больше диаметра сердечника много-модового волокна. Каждый элемент излучающей площадки СИД имеет диаграмму направленности в виде поверхности вращения, сечение которой (рис.15.8) плоскостью, проходящей через перпен­дикуляр к излучающей площадке, описывается функцией cos φ. Поэтому СИД применяют для возбуждения многомодовых свето­водов, используя торцевое соединение: торец волокна прибли­жают непосредственно с излучающей площадке СИД (см. рис. 15.8). При этом отражения от торца волокна уменьшают или заполняя зазор между диодом и волокном иммерсионным маслом, коэф­фициент преломления которого равен коэффициенту преломления сердечника волокна щ, или наносят на торец волокна просвет­ляющее покрытие, выполненное из диэлектрика с коэффициентом преломления n=√n₁ и имеющее толщину Λ/4. Если а_и≤а, то излу­чение каждого элемента излучающей площадки диода попадает в волокно и переносится там с помощью направляемых волн, при­чем волокном направляется не вся мощность, излучаемая каждым элементом, а только та часть, которая излучается в пределах уг­лов φ≤arcsin NA. Если а_и> а, то излучение элементов излучающей площадки диода, расстояния от которых до точки пересечения продольной оси волокна с излучающей площадкой диода больше а ,не направляется волокном. В этом случае максимально достижимая

эффективность ввода при торцевом соединении СИД с многомодовым волокном составляет ζ_тах = (NАа/а_и)²[65], а при соединении СИД с градиентным волокном, имеющим параболиче­ский профиль и такое же значение NА, величина ζ_тах будет вдвое меньше. Применение фокусирующих линз в этом случае не увели­чивает, а наоборот, лишь уменьшает ζ из-за потерь в линзе. Обычно при вводе излучения СИД в многомодовое волокно опти­ческие потери составляют 14...20 дБ [41].

Для возбуждения одномодовых волокон СИД не используют из-за низкой эффективности ввода (ζ<<1, так как а<<а_и). В этом случае применяют разные типы лазеров. Наиболее широкое при­менение находят полупроводниковые лазеры с одинарной и двой­ной гетероструктурой [42]. В таких лазерах полосковой геометрии светящаяся площадка обычно имеет прямоугольную форму с раз­мерами а_ихb_и (рис.15.9), диаграмма излучения которой предс­тавляет несимметричный лепесток с углами раскрыва 2φ_х и 2φ_у в соответствующих плоскостях. Типичные значения: а_и = 2...6мкм, b_и = 20...100мкм, φ_х=10...20°, φ_у=5...10°. Благодаря столь малым размерам светящейся площадки и узкой диаграмме направлен­ности эффективность ввода излучения в волокно при торцевом соединении гораздо выше, чем у СИД. Например, потери при вво­де излучения лазера в многомодовое волокно составляют 6...7 дБ, а в одномодовое 8...12 дБ[41]. Для повышения эффективности ввода излучения лазера в волокно применяют разнообразные оп­тические согласующие элементы: разные типы микролинз, поме­щаемые на торце волокна (рис. 15.10), или сферические и гради­ентные микролинзы и их комбинации, помещаемые между лазером и волокном (рис.15.11). Отметим, что в случае, когда площадь из­лучающей площадки меньше площади сердечника световода, применение микрооптических линзовых элементов позволяет по­лучить ζ = 0,8...0,9. На эффективность ввода излучения в волокно влияют также факторы, рассмотренные при соединении волокон (децентровка, угловое смещение и т.д.). В настоящее время сред­ние оптические потери при вводе излучения лазера в стандартное градиентное волокно составляют около 1 дБ, а в одномодовое во­локнооколо 3...6 дБ [41]. Полупроводниковые полосковые лазеры идеально подходят для возбуждения полосковых световодов. На основе таких лазеров строят оптические интегральные схемы ,включающие источник излучения [64]. Отметим, что в настоящее время находят применение волоконные лазеры [42]. Это твердо­тельные лазеры, одним из элементов которых является воло­конный световод. Использование таких лазеров позволяет с высо­кой эффективностью вводить излучение в волоконные световоды, в том числе и в одномодовые.