2.13. Разновидности и поколения волс

2.13.1. Различают три разновидности ВОЛС:

1. Короткие с l<100м – используются в устройствах для дистанционного управления и контроля производственных процессов (волоконно-оптические

датчики - ВОД), в АСУ, в устройствах дискретной автоматики (высоковольтной и сильноточной), в информационных каналах учреждений (видеотелефон, кабельное телевидение, видеотека, охрана, реклама и др.), в бортовых системах на кораблях и самолётах, в бытовой технике.

2. Средней протяжённости с длиной до 300км - связь между АТС (городские – 50-100км, зоновые 200–300км), кабельное телевидение, связь ЭВМ с дальними терминалами и др.

3. Длинные (магистральные) ВОЛС – l=10³ – 10⁵ км: линии дальней связи со скоростью передачи в 40 Гбит/с с малыми потерями, большой информационной ёмкостью и хорошо защищённые от неблагоприятных климатических воздействий . Это наиболее дорогие ВОЛС.

В настоящее время наблюдается следующее распределение использования типов ВОЛС:

- 40 – 50 % – магистральные;

- 10 % – экспериментальные и исследовательские;

- 5 – 6 % – системы управления производственными процессами;

- 4 – 5 % – кабельное телевидение;

- 3 % – приборостроение.

2.13.2. Поколения ВОЛС определяются параметрами ослабления и скоростью передачи информации.

Первое поколение (с 70–х г. в США) – это многомодовые короткие линии с источником – светодиодом (=0,78 – 0,9мкм), могут быть аналоговыми и цифровыми со скоростью B<300 Мбит/с. Пока что это большая часть старой работающей отечественной аппаратуры.

Второе поколение– одномодовые цифровые линии с l >20км с источником– лазерным диодом (=1,17 – 1,33 мкм и =(1,53 –1,62) мкм) и приёмником – лавинным фотодиодом со скоростью передачи Т10 Гбит/с с повышенной степенью интеграции в передающем и приёмных модулях и оптическими усилителями – сюда относится большинство разрабатываемых и строящихся линий.

Третье поколение – ОМВС со спектральным уплотнением (WDM и DWDM) c с многослойными ВС для компенсации разных видов дисперсии и использованием более сложных ППП, устранением гидроксильного пика поглощенияОН. Широко используются в качестве ретрансляторов волоконные оптические усилители, скорость передачи информации .

Освоение дальней инфракрасной области с =мкм, где легче сделать одномодовое волокно и возможно получение коэффициента ослабления  =(0,1 0,001) дБ/км, потеряло актуальность, так как в настоящее время пока что не используются информационные возможности имеющихся ВС в освоенных оптических диапазонах и отработаны технологии получения ВС с диаметром .

3. Оптические волноводы

3.1. Парамeтры оптических волноводов

3.1.1. Конструктивной основой любого устройства интегральной оптики (ИО) является планарный (двумерный, пленочный) оптический волновод (ОВ). Он представляет собой плоский диэлектрический волновод на соответствующей диэлектрической подножке. Слой с показателем преломления называетсяподложкой, с –покровным слоем (покрытием), а с - собственно волноводом с высотой (толщиной).

Для выполнения условия полного внутреннего отражения, которое является основой принципа работы ОВ, должно выполняться условие волноводного режима ,, т.е. существования поверхностных волн вдоль оси . (было в лекции 2)

а б

Рис.3.1. однородные (тонкопленочные) (рис.3.1,а) и неоднородные (градиентные) (рис.3.1,б) планарные ОВ

В таком ОВ согласно решениям уравнений Максвелла с граничными условиями могут существовать имоды (падающие и отраженные), однако поскольку одна из продольных составляющих значительно меньше другой, то этой составляющей пренебрегают и условно называют их() и()-модами (m-количество вариация вдоль х). При этом полный набег фазы волны при прохождении луча от одной границы до другой и обратно должен быть кратен (аналогично с ВС).

3.1.2. Коэффициент фазы (постоянная распространения) -ной моды ступенчатого ОВ представляется как

(3.1)

где ; - эффективный показатель преломления; V_ф – фазовая скорость в ОВ; - угол распространенияm-ной моды в первом (волноводном) слое.

Вводят также: нормированную частоту (или толщину)

, ; (3.2)

где –числовая апертура; волноводный показатель замедления

; (3.3)

степень асимметрии идляиволн соответственно

; . (3.4)

Из зависимостей при разныхдляслабонаправляющих пленок условием распространения- ной моды являются соотношения

,

что соответствует более привычным соотношениям электродинамики или, откуда можно получить соотношения для:

. (3.5)

Из (3.5) видно, что основная мода при(симметричный ОВ) не имеет отсечки, а для более распространенных несимметричных ОВ существует отсечка.

Максимальное число распространяющихся мод

(3.6)

Рис.3.2. Основные моды ОВ

Для и волн условия отсечки практически не отличаются, однако фазовые скорости будут различны. Структуры силовых линий мод и в симметричном ОВ показаны на рис.3.2., а распределения амплитуд для первых мод - на рис.3.3,б.

В области ОВ распределения амплитуд аппроксиммируются функциями или , а за его пределами – экспонентой – это “хвосты” мод. Глубины проникновения и эффективная толщина для высших мод увеличивается. В несимметричных ОВ и распределения несимметричные. В средах с поглощением или усилением характер поперечных распределений не изменяется.

На рис.3.3,а показано, что работу ОВ можно рассматривать с точки зрения того, что фазовые скорости в подложке и покровном слое больше, чем в ОВ. При этом волновой фронт искривляется и энергия прижимается к волноводу.

Рис.3.2. Основные моды ОВ

Рис.3.3. Поперечные распределения амплитуд

3.1.3. Условие существования - ной моды можно получить из соотношения. Для несимметричного ОВи для симметричногобез учета “хвостов” для слабонаправляющего ОВ эти условия имеют вид [2]

; . (3.7)

Для градиентных ОВ все параметры можно определить аналитически лишь для некоторых распределений n(x), но они чаще определяются экспериментально.

Требования дисперсии любых видов ОВ, ввиду малых расстояний, особой роли не играют, поэтому выбор типа ОВ определяется назначением и оптимальной технологией.

3.1.4. На практике ширина ОВ вдоль оси не бесконечна. Если , то применима теория планарных волноводов. Если , то

волновод называется полосковым (канальным). В этом случае энергия по нему распространяется узкими пучками по прямолинейной (у ступенчатых) или криволинейной (у градиентных) траекториям. Явление полного внутреннего отражения при этом проявляется как по толщине, так и по ширине, и могут распространяться моды и. Задача определения n^*и других дисперсионных параметров при этом сложнее, но подобна планарным ОВ.

На рис.3.4. приведены некоторые варианты выполнения канальных ОВ.

Рис.3.4. Варианты реализации полосковых ОВ : а – приподнятый ; б – гребенчатый ;в – погруженный (внедренный) ; г – утопленный (погруженный диффузионный) ;д – диффузионный.