Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

361

ронной юстировки). На рис. 15.10 показана торцевая безлинзовая стыковка волноводной структуры и полупроводникового лазера.

Эффективность ввода при помощи этих методов довольно низкая.

На рис. 15.11 изображен призменный ввод. За счет эффекта оптического туннелирования энергия проникает в волновод.

Изменяя угол Ф, можно возбуждать различные моды в планарном волноводе. В случае вывода различные моды будут характеризоваться различными углами вывода световых волн. Эффективность ввода – 88 % .

Самый оптимальный способ связи - это решетчатый элемент связи (рис. 15.12), когда штрихи нанесены на вол-

новодный слой с периодом d.

Если d ≈ λ, и разность фаз для двухсоседних штрихов равна

К × λ × sin θ0 .

Волноводная мода возбуждается, если

.

Варьируя угол падения пучка, можно выбирать моду, для которой будет осуществлена передача энергии. Эффективность ввода в этом случае достигает

71 %.

Вывод излучения. Вывод излучения можно осуществить, используя клиновидный конец волновода (рис. 15.13).

362

Рис.15.13. Вывод излучения через клиновидный конец волновода.

Мода, подойдя к клину, испытывает многократное отражение. Распространяясь вдоль клина, каждый раз излучает всё меньшую и меньшую энергию. На каком-то этапе угол падения может стать меньше угла внутреннего отражения, энергия излучается в воздух, что приводит к потерям. Чтобы этого не происходило, сужение клина должно быть плавным. Эффективность вывода – 50-70% .

15.2. Волоконно – оптические световоды

Оптические волокна послужили основой для разработки и создания оптических систем связи высокой эффективности, обеспечивающие возможность передачи большого потока информации на любые расстояния.

15.2.1. Свойства оптического волокна

Подобно плоским диэлектрическим волноводам в интегрально – оптических схемах, волоконные световоды различной длины применяются для направленной передачи оптического излучения, которое вводят через торцевой, обычно плоский конец световолокна. В простейшем случае оптическое волокно представляет собой тонкую нить круглого сечения из прозрачного в нужной спектральной области материала (стекло, кварц, различные полимеры).

По волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) со скоростью передачи – 2,5 Гбит/с можно одновременно организовывать от 7680 до 300000 телефонных каналов тональной частоты (ТЧ) со скоростью передачи 64 кБит/с. Важнейшим фактором в развитии оптических систем явилось появление оптического квантового генератора – лазера. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне длин волн, что составляет частоту порядка 1014 Гц.

Оптическое волокно. Рассмотрим теперь цилиндрическое стеклянное волокно, состоящее из внутренней сердцевины с показателем преломления n1(или в некоторых случаях nB) и окружающей её оболочки с показателем преломления n2, причем здесь также выполняется условие n1>n2 . Расчет проводится на основе

363

[43]. Торец волокна срезан под прямым углом к его оптической оси. На рис. 15.14 изображен луч, входящий в волокно с торца. Этот луч

распространяется вдоль волокна путем многократных отражений от границы сердцевина – оболочка. Распространение луча будет осуществляется при условии

Q < Qc,

для этого необходимо, чтобы угол наклона луча к оптической оси волокна (Ф) был меньше угла (Фm) , где Фm=π/2-Qc . A<Am. Для определения величины углов Фm и Am воспользуемся законом Снеллиуса, приняв na=1,

Чем больше Am, тем большая часть падающего на торец света может быть введена в волокно и будет в нем распространяться за счет полного внутреннего отражения. Числовая апертура (NA) волокна определяет способность микрообъективов собирать свет и определяется как

где Ф0 – мощность, излучаемая источником, Ф – мощность, введенная в волокно. Из (15.16) видно, что для того, чтобы ввести в волокно как можно больше энергии, необходимо обеспечить большие значения величин n и n. Очевидно, что лучшее, что может быть сделано – это использовать для изготовления волокна стекло с большим показателем преломления и не покрывать его оболочкой. В этом случае полное внутреннее отражение будет происходить на поверхности

стекло-воздух.

Типы оптических волноводов (ОВ). Ступенчатые волоконные световоды. Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины nB одинаков по всему поперечному сечению (рис. 15.15,а), и градиентные - с плавным профилем, у которых nB уменьшается от центра к периферии (рис. 15.15).

Канализация света в волокне основывается на явлении полного отражения. Как в прямолинейном, так и в изогнутом волоконном световоде направляемые волны можно наглядно представить лучами, распространяющимися зигзагообразно, под углами к его оси и каждый раз испытывающими полное внутреннее отражение на поверхности раздела. Для этого необходимо, чтобы коэффициент преломления материала световода был обязательно больше коэффициента преломления окружающей его среды (стекло, кварц, различные полимеры). Пучок света, испытывая полное внутренне отражение и распространяясь в однородной

364

прозрачной нити, в идеальном случае не должен терять энергию. Однако практически потери все же происходят. Учитывая большую длину волокна (в отличие от полоскового волновода в интегрально-оптических схемах), они могут оказаться значительными. Заметная часть потерь приходится, прежде всего, на рассеяние света на поверхности волокна.

Низкая механическая прочность делают тонкую прозрачную нить не пригодной для непосредственного применения в качестве световода. Положение радикально изменяется при переходе к двухслойному световоду, представляющему собой световедущую сердцевину (жилу), покрытую оболочкой из материала, показатель nо которого меньше, чем жилы nB. Как и в интегрально-оптическом волноводе, при полном внутреннем отражении световая волна проникает в оболочку, поэтому, для того, чтобы волна не затухала, в соответствующей области спектра оболочка должна быть прозрачной. Необходимо также обеспечить высокое совершенство границы раздела между сердцевиной и оболочкой. Если толщина оболочки превышает несколько длин волн света, интенсивность световой волны, достигающей внешней поверхности оболочки оказывается пренебрежимо малой. Поэтому, на процесс распространения канализируемых в сердцевине волн, состояние поверхности оболочки практически не влияет. Световод со ступенчатым профилем коэффициента отражения можно покрыть еще одной защитной, упрочняющей, например, полимерной оболочкой, снабдить армирующими элементами, обеспечивающими необходимую механическую прочность и стойкость к воздействию окружающей среды, и превратить волоконный световод в оптический кабель, пригодный для практического использования. Оптическая линия связи может содержать как один, так и множество световодов.

15.2.2 Параметры и характеристики оптического волокна

Покажем, что только часть света (пропорциональная (NА)2), излучаемая малоразмерным диффузным источником, помещенным на оптической оси волокна вблизи его торца, может быть введена в волокно и, следовательно, будет в нём

365

распространяться. Предположим, что мощность, излучаемая в единицу телесного угла в направлении под углом θ к нормали его поверхности, определяется выражением

Полная мощность Р0, излучаемая таким источником, находится интегрированием I(θ) по всем направлениям:

Мощность Р, введенная в волокно, диаметр сердцевины которого больше диаметра источника, определяется следующим интегралом:

Отсюда ясно, что для того, чтобы ввести в волокно как можно больше света, необходимо обеспечить большие значения величин n и n. Очевидно, что лучшее, что может быть сделано – это использовать для изготовления волокна стекло с большим показателем преломления и не покрывать его оболочкой. Но при использовании таких волокон возникают две проблемы.

Первая состоит в том, что при полном внутреннем отражении часть волны света проникает сквозь отражающую поверхность. Она является затухающей волной. Её амплитуда уменьшается экспоненциально с увеличением расстояния от поверхности волокна и поэтому обычно не может распространяться в среде с более низким показателем преломления. Однако, наличие всяких неровностей и неоднородностей на отражающей поверхности может привести к преобразованию затухающей волны в волну распространения. В жгуте из волокон без оболочек условия на отражающей поверхности неизбежно и неконтролируемо изменяются, поскольку отдельные волокна входят в контакт друг с другом и окружающей средой. В результате значительная доля распространяющейся мощности выводится их них, что приводит к большим потерям.

Вторая проблема связана с тем, что любой короткий световой импульс, введенный в волокно, состоит из ряда лучей, которые распространяются вдоль оси волокна, наклоненным к ней под некоторым углом. Показатель преломления среды можно рассматривать как меру скорости распространения света V в этой среде, то есть

Следовательно, осевой луч будет проходит расстояние вдоль волокна за время n1l/c, в то время как наиболее наклоненный, который ещё может распространяться в волокне, то же самое расстояние пройдет за время, определяемое соотношением

ными углами, окажется размытым во времени в процессе своего распространения по волокну на величину, определяемую выражением

Можно определить разницу времен распределения световых импульсов вдоль осевого и наиболее наклонного лучей по формуле, учитывающей групповой показатель преломления сердцевины nГ

Время t для l = 1км и значения n = 1·10-2 составляет несколько десятков наносекунд, что соответствует предельной частоте модуляции несколько десятков МГц (верхняя граничная частота, выраженная в герцах, по величине приближенно равна скорости передачи информации в битах в секунду). Принято говорить, что такие искажения сигнала (не связанные с немонохроматичностью света) обусловлены межмодовой (многолучевой) дисперсией и называется временной дисперсией волокна.

Как было показано, дисперсионные свойства оптических материалов характеризуются зависимостью показателя преломления от частоты (от длины волны в свободном пространстве). Поэтому, необходимо выразить величины Vгр и nГ че-

Если свет имеет ширину спектра Δλ относительно λ и если среда дисперсион-

Покрытие сердцевины волокна стеклянной оболочкой, имеющей немного меньший показатель преломления, приводит к возникновению трёх эффектов: 1) если покрытие имеет высокое качество и толщину, достаточную для удержания затухающей волны, то оно существенно уменьшает потери; 2) уменьшению временной дисперсии; 3) уменьшению вводимой в волокно мощности света.

Взаимосвязь между временной дисперсией волокна Dt, и шириной полосы частот, занимаемой сигналом, и максимальной скоростью передачи информации В, можно записать в следующем виде:

Лучи, падающие на торец световода под углом, выходящим за пределы qА не испытывают полого внутреннего отражения от поверхности сердцевины, преломляются в оболочке и могут приводить к нежелательным паразитным связям, например, между световодами в многожильных кабелях. Для их устранения желательно, чтобы вторая защитная оболочка была светопоглощающей.

Диаметр сердцевины волоконного световода может, в зависимости от его назначения, составлять от нескольких микрометров до нескольких сотен микрометров, а толщина оболочки – от нескольких десятков микрометров вплоть до миллиметра (один из стандартных диаметров оболочки – 125 мкм.). Когда диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны света, по световолокну, как и по волноводу, может распространяться только дискретная совокупность волн. Им соответствуют различные углы падения лучей на поверхность раздела сердцевина

– оболочка, а это, в свою очередь приводит к различной длине пути, которые проходят лучи (рис.15.15,а). B результате, передаваемый по световоду, сигнал искажается. Если на вход световода подать короткий световой импульс, то при достаточно большой длине может случиться, что на выходе импульсы, переносимые разными модами, окажутся разделенными по времени, т. е. на выходе вместо одного импульса появится серия импульсов. Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. Если входной импульс удлинить, то серия импульсов на выходе, в конце концов, сольется в один импульс увеличенной длительности. По этой причине нельзя беспредельно увеличивать частоту модуляции распространяющегося по волноводу сигнала: период модуляции должен превышать разницу времени прохождения световода отдельными модами.

Одномодовые волокна

Волоконный оптический волновод (ВОВ) может работать в одномодовом режиме. Для этого нужно, чтобы выполнялось условие, аналогичное для плоского волновода

368

под hкр – подразумевается диаметр сердцевины волокна. Таким образом,

для одномодового режима диаметр световолокна и различие показателей преломления n = n1 − n 2 должны быть достаточно малыми.

В одномодовых световодах дисперсия как таковая не проявляется. Качественная передача сигнала в этом случае все же ограничена тем, что используемое излучение не может быть строго монохроматическим, а занимает конечный спектральный интервал. Из-за этого возникает материальная дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления сердцевины n1 , а значит и скорости распространения от длины волны света. Если принять, что ширина спектральной полосы одномодового полупроводникового лазера составляет несколько нанометров, а световода – несколько десятков нанометров, то различие во времени прохождения пути длиной 1км для граничных длин волн составит по порядку величины 1·10-10 с, т. е. предельные частоты модуляции сигнала равны 1·1010 и 1·109 Гц.

Возможны также другие виды дисперсии, проявляющиеся в тех случаях, когда межмодовую и материальную дисперсии удается свести к минимуму. Рассмотрение на основе волновой теории показывает, что даже в одномодовом режиме скорость распространения света по волокну зависит от частоты независимо от материальной дисперсии. Этот вид дисперсии называют волноводной (внутримодовой). С практической точки зрения важно, что в определенном спектральном интервале материальная и волноводная дисперсии могут компенсировать друг друга. При этом может проявиться еще один вид дисперсии, обусловленный тем, что, например, из-за механических напряжений в волокне, отклонения формы сердцевины от цилиндрической, волны с взаимно ортогональной поляризацией распространяются с различными скоростями. Такая дисперсия, называемая поляризационной, приводит к уширению светового сигнала на величину порядка 1·10- 11 с при длине волокна 1км. Как следует из изложенного, для всех видов дисперсии уширение импульса пропорционально длине световолокна. Поэтому пропускную информационную способность приводят к единице длины световолокна, а полосу пропускания выражают в мегагерцах-километрах или гигагерцахкилометрах.

Следует иметь в виду, что широкая полоса пропускания достигается ценой усложнения технологии изготовления и его эксплуатации. Эффективное введение энергии в световод требует того, чтобы и источник излучения был одномодовым лазером. К этому нужно также добавить, что числовая апертура одномодового волокна заметно меньше, чем многомодового: 0,1 и 0,2 – 0,3 соответственно.

Достоинства одномодового световода: малы потери на пропускание, которые количественно оцениваются затуханием светового сигнала (в дБ на километр). Высокая пропускная способность; невосприимчивость к

электромагнитным помехам; не подвергаются коррозии; малые размеры, малая масса; передача недоступна для прослушивания и перехвата.

В одномодовом волокне отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом.

Потери в оптических волокнах

369

В основном, потери света в ОВ обусловлены двумя причинами: первая

– поглощение, вторая – рассеяние. Имеется множество других потерь, сравнительно малых по отношению к поглощению и рассеянию и мы их рассмотрим в методическом пособии, при разборе конкретных задач.

Поглощение в оптическом волокне. Поглощение определяется свойст-

вами материала и рабочей длиной волны. Оно имеет место при возбуждении в материале электронных переходов и резонансов с последующими неизлучательными релаксационными процессами. В результате увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в материале; Потери в волокне зависят не только от качества материалов сердцевины. Значительную роль играет также и материал оболочки. При полном внутреннем отражении электромагнитные волны проникают через раздел сердцевина – оболочка и распространяются в оболочке. И если оболочка имеет плохое качество или большое поглощение, то она будет вносить заметный вклад в общие потери в волокне.

Рассеяние в оптическом волокне частично может обуславливаться свойствами материала, но в основном определяется нарушениями геометрической формы ОВ. Оно происходит тогда, когда мода распространения света изменяется таким образом, что часть оптической энергии покидает волокно.

По своей природе стекло является неупорядоченной структурой, в которой имеются микроскопические отклонения от средней плотности материала, а также локальные микроскопические изменения в составе. Каждое из указанных изменений приводит к флуктуации показателя преломления. Это справедливо для любого стеклообразного материала, однако и при качественном изготовлении в нём наблюдается рассеяние света, известное как рэлеевское. Характерная особенность данного явления состоит в том, что рассеиваемая мощность, а, следовательно, и потери обратно пропорциональны длине волны в четвёртой степени. Именно рэлеевское рассеяние, а не край полосы УФ поглощения является основной причиной потерь в кварцевых ОВ на длинах волн короче 1,5 мкм. Основные нарушения геометрии поверхности и большие дефекты в сердцевине волокна приводят к значительным локальным потерям. Резкие изгибы ОВ приводят к тому, что часть света не будет отражаться от оболочки, а будет в ней распространяться и таким образом теряться. Теоретически рассеваемая мощность экспоненциально зависит от радиуса изгиба. На практике, однако, минимально допустимый радиус изгиба определяется исходя из механических свойств волокна. Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны

2,5 мкм.

15.2.3. Ввод и вывод излучения

370

Трудность связи между волноводами и волокнами состоит преимущественно в том, что сердцевина волокна имеет относительно малые размеры и её трудно связать с волноводом так, чтобы соединение было достаточно жестким, а эффективность связи высокой.

Один из методов соединения волокна с волноводом состоит в следующем. На плёночный волновод наносится жидкая капля с высоким показателем преломления (рис. 15.16). В этом случае, получаем утечку энергии под углом θ. Следовательно, вставив конец стеклянного волокна в эту жидкость и ориентировав волокно под углом θ к нормали, извлекаем энергию из волокна. Коэффициент эффективности связи может достигать достаточно большой величины (η=50%). Но такая связь не слишком подходит для стационарных установок. Кроме того эффективность связи при передаче энергии из волокна в волновод обычно хуже, т.к. поле в волокне не имеет соответствующего экспоненциального распределения, которое необходимо для возбуждения волны утечки, что приводит к сильному

рассогласованию полей.

Другой метод – связь через суживающийся край пленки рис. 15.17. Эффективность такого метода достаточно высока, но применяется в основном к многомодовым волокнам.

Следующий метод – через туннелирующий слой (Рис. 15.18). Связь, с применением суживающегося края края плёнки, и наложенного снаружи волокна не круглой, а прямоугольной формы. Для лучшего согласования конец

полоскового волновода суживается и между полосковыми волноводами и внешним волокном вводится слой с низким показателем преломления. Он действует как туннелирующая область, в пределах которой происходит передача энергии

(η=50%).

Волокна в значительной мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта

оптических кабельных систем передачи (генераторов, фотоприёмников, разъёмных и неразъёмных соединителей, ответвителей и других элементов).